EP3161402A1 - Wärmeübertrager - Google Patents

Wärmeübertrager

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EP3161402A1
EP3161402A1 EP15727672.6A EP15727672A EP3161402A1 EP 3161402 A1 EP3161402 A1 EP 3161402A1 EP 15727672 A EP15727672 A EP 15727672A EP 3161402 A1 EP3161402 A1 EP 3161402A1
Authority
EP
European Patent Office
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flow path
coolant
housing
tubes
heat exchanger
Prior art date
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Application number
EP15727672.6A
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English (en)
French (fr)
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EP3161402B1 (de
Inventor
Ulrich Maucher
David MERCADER
Jens Holdenried
Arthur Strehlau
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.)
Mahle International GmbH
Original Assignee
Mahle International GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Mahle International GmbH filed Critical Mahle International GmbH
Publication of EP3161402A1 publication Critical patent/EP3161402A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP3161402B1 publication Critical patent/EP3161402B1/de
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Anticipated expiration legal-status Critical

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    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D21/00—Heat-exchange apparatus not covered by any of the groups F28D1/00 - F28D20/00
    • F28D21/0001—Recuperative heat exchangers
    • F28D21/0003—Recuperative heat exchangers the heat being recuperated from exhaust gases
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • 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
    • F28D7/16—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 in parallel spaced relation
    • F28D7/163—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 in parallel spaced relation with conduit assemblies having a particular shape, e.g. square or annular; with assemblies of conduits having different geometrical features; with multiple groups of conduits connected in series or parallel and arranged inside common casing
    • F28D7/1653—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 in parallel spaced relation with conduit assemblies having a particular shape, e.g. square or annular; with assemblies of conduits having different geometrical features; with multiple groups of conduits connected in series or parallel and arranged inside common casing the conduit assemblies having a square or rectangular shape
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    • F28D7/16—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 in parallel spaced relation
    • F28D7/1684—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 in parallel spaced relation the conduits having a non-circular cross-section
    • 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
    • F28F1/02—Tubular elements of cross-section which is non-circular
    • F28F1/04—Tubular elements of cross-section which is non-circular polygonal, e.g. rectangular
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2250/00—Arrangements for modifying the flow of the heat exchange media, e.g. flow guiding means; Particular flow patterns
    • F28F2250/06—Derivation channels, e.g. bypass
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2265/00—Safety or protection arrangements; Arrangements for preventing malfunction
    • F28F2265/10—Safety or protection arrangements; Arrangements for preventing malfunction for preventing overheating, e.g. heat shields

Definitions

  • the invention relates to a heat exchanger for an exhaust system of a motor vehicle, comprising a housing and a plurality of tubes, which are flowed through by an exhaust gas and can flow around a coolant, wherein the tubes are arranged within the housing and the housing has a coolant inlet and a coolant outlet wherein the exhaust gas and the coolant are countercurrent to each other through the heat exchanger, wherein the inner volume of the housing is divided into a first flow path and a second flow path and the tubes are arranged within the second flow path, wherein the first flow path bypasses the second Flow path is formed.
  • heat exchangers are used to cool exhaust gas coming from the internal combustion engine.
  • a heat transfer is generated between the exhaust gas flowing in an exhaust gas line and a coolant in order to transfer heat from the exhaust gas to the coolant.
  • the cooled exhaust gas can be returned to the internal combustion engine as part of a so-called exhaust gas recirculation.
  • Tem exhaust gas By the addition of cooling Tem exhaust gas to the fresh air, which is guided for combustion in the combustion chamber, the pollutant emission of the internal combustion engine can be reduced.
  • One known in the art is a tube bundle heat exchanger.
  • the exhaust gas is guided therein by a plurality of tubes, which are arranged within a housing and are surrounded by a coolant.
  • a heat exchanger of this type is known.
  • the devices which are known from the prior art can be flowed through such that the exhaust gas and the coolant flow in substantially equal directions (direct current) or such that the exhaust gas and the coolant flow in opposite directions (countercurrent).
  • a heat exchanger for an exhaust line is known, which can be used both for a flow in the DC and for a flow in countercurrent.
  • a disadvantage of the devices in the prior art is in particular that it can come to the inlet side of the exhaust gas in the heat exchanger to overheating, which lead to boiling of the coolant within the heat exchanger. Boiling the coolant can cause damage to the coolant loop, and excessive boiling reduces overall thermodynamic efficiency.
  • a heat exchanger which provides two fluid inlets for the coolant and one fluid outlet for the coolant. Due to the additional fluid inlet, the coolant distribution at the inflow side of the exhaust gas can be improved, whereby the boiling of the coolant can be counteracted.
  • a disadvantage of this heat exchanger is that additional fluid connections must be provided, whereby the structure of the heat exchanger is complex and a larger space is needed. Presentation of the invention. Task. Solution. advantages
  • An embodiment of the invention relates to a heat exchanger for an exhaust system of a motor vehicle, with a housing and with a plurality of tubes, which are flowed through by an exhaust gas and are flowed around by a coolant, wherein the tubes are arranged within the housing and the housing has a coolant inlet and a coolant outlet, wherein the exhaust gas and the coolant are countercurrent to each other through the heat exchanger, wherein the inner volume of the housing is divided into a first flow path and a second flow path and the tubes are disposed within the second flow path, wherein the first flow path bypasses is formed to the second flow path, wherein the cross-sectional area of the first flow path between 15% and 65%, preferably between 30% and 50%, of the total flowed through by the coolant cross-sectional area of the housing, wherein the total of the coolant d flowed cross-sectional area of the housing is formed by the cross-sectional area of the first flow path and the cross-sectional area of the second flow path minus the cross
  • a bypass for the coolant is particularly advantageous in order to be able to guide the coolant within the housing in a targeted manner to the side at which the exhaust gas enters the tubes.
  • the exhaust gas At the inflow side of the exhaust gas, the exhaust gas has the highest temperature level, whereby the coolant is heated strongly in this area. In extreme cases, it may come to a strong boiling, so-called film boiling, the coolant in this area, whereby the coolant circuit can be damaged and the overall cooling capacity is reduced.
  • the bypass advantageously leads coolant directly from the coolant inlet to the inlet side of the exhaust gas without first receiving a significant amount of heat.
  • the coolant and the exhaust gas flow in countercurrent to one another, whereby the possible heat transfer between the exhaust gas and the coolant is maximized.
  • the coolant which flows through the second flow path, already enters into a heat transfer with the exhaust gas before it arrives at the inflow side of the exhaust gas by flowing around the pipes.
  • the heat absorption capacity is therefore lower than that of the coolant flowing through the bypass or the first flow path directly to the inflow side of the exhaust gas.
  • bypass and first flow path are used synonymously.
  • the first cross-sectional area is the cross-sectional area of the bypass (A B ) or the first flow path, while the second cross-sectional area is given by the entire flowed through by the coolant cross-sectional area (A T ) within the housing, for which purpose the cross-sectional area of the first flow path and the second flow path minus the cross-sectional area occupied by the tubes.
  • the ratio of the cross-sectional area A B to the cross-sectional area A T is preferably between 15% and 65%, particularly preferably between 30% and 50%. It has been found that different heat exchangers, which have a ratio of the cross-sectional areas in this area, have a particularly low coolant requirement in order to achieve a predetermined cooling capacity. Furthermore, the pressure loss of the coolant within the housing in such a large size range of cross-sectional areas is particularly low. A heat exchanger with the features of claim 1 is therefore particularly suitable for generating a maximum cooling capacity with minimal pressure loss. Heat exchangers with these features thus have a particularly favorable cooling characteristic. Moreover, it is advantageous if the tubes have a rectangular cross section, wherein the width of the cross section is in each case between 13 mm and 17 mm and the height is between 4 mm and 5 mm.
  • a rectangular cross section of the tubes is particularly advantageous in conjunction with a likewise rectangular housing cross section.
  • the tubes can be easily spaced apart from one another and from the housing so that suitable gaps are created between the tubes and the housing in order to ensure sufficient flow through the coolant.
  • the tubes have a rectangular cross-section, which has a width between 13 mm and 17 mm and a height between 4 mm and 5 mm. Tubes of this dimension are advantageous because they have a very good ratio of flow-through cross-section to the outer surface, which is particularly advantageous for applications in an exhaust system of a motor vehicle in order to achieve maximum cooling performance.
  • the usually expected exhaust gas temperatures of several hundred degrees Celsius, the usually prevailing coolant temperature and the exhaust gas temperature to be reached after cooling are decisive variables for the design of the heat exchanger.
  • the tubes are spaced apart from each other such that the central axes of the tubes are spaced apart by 14.5mm to 18.5mm in width and spaced 5.5mm to 6.5mm apart in height.
  • An arrangement with a pitch in the width of 14.5mm to 18.5mm and with a pitch in the amount of 5.5mm to 6.5mm is particularly advantageous for each given pipe sizes, as described above, each have sufficient gaps between to reach the adjacent pipes.
  • the gap size must be sufficiently large in order to avoid congestion or the generation of excessive pressure loss.
  • the first flow path is thermally insulated from the second flow path and / or the housing and / or the tubes and / or the coolant flowing around the tubes.
  • a thermal insulation is particularly advantageous as it results in the coolant flowing through the bypass or the first flow path being thermally decoupled from the coolant in the second flow path and in particular from the exhaust gas in the tubes. Therefore, the refrigerant after flowing out of the bypass into the second flow path in the region of the exhaust gas inflow side on a particularly large heat capacity, whereby a particularly large cooling effect can be generated and the boiling of the coolant can be effectively prevented. It is also expedient if the coolant inlet and the inflow side of the exhaust gas are arranged in the main direction of extension of the tubes at opposite end regions of the housing.
  • the arrangement of the coolant inlet and the inflow side of the exhaust gas at opposite end regions, a flow through the heat exchanger is achieved in countercurrent. This is particularly advantageous in order to be able to realize the largest possible heat transfer within the heat exchanger.
  • the tubes have turbulence-generating means on their inner surface and / or on their outer surface.
  • Turbulence generating means such as winglets or fins, are particularly advantageous for generating turbulence of the exhaust gas and / or the coolant. In turbulent flows, a greater heat transfer can be achieved than in laminar flows. In addition, congestion of the coolant and the resulting high temperature areas can be reduced or completely avoided.
  • a further preferred embodiment is characterized in that the inflow direction and / or the outflow direction of the coolant in each case forms a normal to the main flow direction of the tubes.
  • Such an arrangement of the coolant inlet and the coolant outlet is particularly preferred in order to obtain the most compact possible design. Furthermore, it is advantageous, since in particular by an inflow direction of the coolant, which is aligned as normal to the main flow direction of the tubes, an advantageous distribution of the coolant over the entire cross section of the housing can be achieved.
  • the propagation direction of the coolant is here in direct extension of the inflow direction, whereby the coolant must undergo no or only insignificant deflections in order to distribute itself completely over the cross section of the housing.
  • the first flow path is formed on one of the inner surfaces of the housing and is separated by a wall of the second flow path.
  • An arrangement of the first flow path or the bypass on one of the inner surfaces of the housing is advantageous in order to carry out the bypass spatially separated from the tubes extending through the housing. This serves to simplify the flow guidance and furthermore reduces the heat transfer from the pipes or the exhaust gas flowing therein to the coolant in the bypass.
  • the wall has one or more openings which each form a coolant passage between the first flow path and the second flow path.
  • a passage of the coolant from the second flow path in the first flow path or from the first flow path in the second flow path through openings in the bypass-limiting wall is possible.
  • the coolant can be easily exchanged between the two flow paths.
  • the openings are arranged in the region of the coolant inlet and the coolant outlet.
  • the channel has a shorter extension along the main extension direction of the tubes than the interior of the housing, wherein the open end regions of the channel open freely into the internal volume of the housing.
  • a shorter extension of the channel compared to the interior of the housing can be ensured that the open end portions of the channel do not abut against the walls of the inner volume of the housing, whereby a fluid could be made difficult by the second flow path into the bypass.
  • the channel can also have openings which allow fluid to pass between the flow paths.
  • the coolant it is expedient for the coolant to be able to flow from the coolant inlet through the first flow path into the second flow path and / or when the coolant from the first flow path through the second flow path to the coolant outlet can be flowed.
  • the coolant may flow either from the coolant inlet directly into the second flow path and from there through the opening into the bypass or directly from the coolant inlet into the bypass and through the opening into the second flow path.
  • the coolant outlet is Preferably arranged on the opposite side of the bypass housing to achieve that the coolant from the bypass flows in any case through the opening in the second flow path before it flows out of themém ' t lttelaus- lass. In this way, the additional cooling of the exhaust gas inflow side, which is arranged at the end region of the heat exchanger which also has the coolant outlet, ensured.
  • the tubes are accommodated at the end in tube plates which delimit the area of the housing through which the coolant can flow in a direction along the main flow direction of the tubes.
  • Tube bottoms are advantageous in order to form a receptacle for the tubes and furthermore to achieve a limitation of the area through which the coolant flows in the housing.
  • diffusers or other elements can be connected, which favor in particular the supply and discharge of the exhaust gas into the tubes or out of the tubes out.
  • Fig. 1 shows two sectional views of a heat exchanger, as it is known from
  • FIG. 2 shows two sectional views of an alternative heat exchanger, as known from the prior art
  • 3 shows two sectional views of a heat exchanger, wherein a bypass to the main flow path of the coolant is arranged in the interior of the housing
  • FIG. 4 shows two sectional views of a heat exchanger according to FIG. 3, wherein the coolant inlet is arranged on the same side of the housing as the coolant outlet,
  • FIG. 5 is a graph showing on the X-axis the ratio of the cross-sectional area of the bypass in relation to the total cross-sectional area of the heat exchanger flowed through by the coolant and on the Y-axis the percentage reduction of the coolant requirement, and
  • FIG. 6 is a diagram showing on the X-axis the ratio of the cross-sectional area of the bypass in relation to the total of
  • Coolant flows through cross-sectional area of the heat transfer, wherein on the Y-axis of each resulting pressure loss is plotted.
  • FIG. 1 shows a heat exchanger 1, which has a housing 2. Through the housing 2, a plurality of tubes run 3. The tubes 3 protrude left and right beyond the housing 2 and end are preferably received by tube plates, which close the housing 2 to the left and right.
  • the tubes 3 can be flowed through by an exhaust gas.
  • Reference numeral 4 designates the inflow side from which exhaust gas can flow into the tubes.
  • the outflow side is identified by the reference numeral 7.
  • diffusers may additionally be arranged on the inflow side and the outflow side, which supports the inflow of the exhaust gas into the tubes and the outflow of the exhaust gas out of the tubes.
  • the housing 2 has a coolant inlet 5 on the right-hand side of the upper wall. This can be formed for example by an opening in the housing or by a connecting piece. Through the coolant inlet 5, a coolant can flow into the housing 2. At the left end on the lower housing wall, a coolant outlet 6 is arranged, through which the coolant can flow out of the housing 2.
  • the housing 2 is flowed through by coolant from the right side from the coolant inlet 5 to the left side to the coolant outlet 6.
  • the tubes 3 are in this case flows around by the coolant, while they are flowed through by the exhaust gas.
  • the flow path for the coolant inside the housing 2 is designated by the reference numeral 8.
  • the coolant flows from above through the coolant inlet 5 into the housing 2 and flows out downwards through the coolant outlet 6 out of the housing 2.
  • the main flow direction of the exhaust gas in the tubes 3 and the main flow direction of the coolant in the flow path 8 inside the housing are formed in opposite directions to each other in the so-called countercurrent.
  • the tubes 3 are arranged one above the other in three rows of three, resulting in each case between the tubes 3 and the inner walls of the housing 2 gaps, which can be flowed through by the coolant.
  • the number and arrangement of the tubes is exemplary and can be varied as desired in alternative embodiments.
  • FIG. 1 and the following FIG. 2 represent heat exchangers, as known from the prior art.
  • FIG. 2 shows a heat exchanger 1, as already shown in FIG.
  • the coolant inlet 9 is not disposed on the upper outer wall of the housing 2, but like the coolant outlet 6 also on the lower outer wall. This can also be seen in the left part of Figure 2.
  • FIG. 3 shows a view of a heat exchanger 20. Similarly to the heat exchanger 1 of FIG. 1, a coolant inlet 5 is arranged on the upper end wall of the housing 2 and a coolant outlet 6 on the lower outer wall on the left end region Inner a first flow path 22 and a second flow path 21st
  • the first flow path 22 can, as shown in FIGS. 3 and 4, be formed by a channel 23 which is arranged above the tubes 3 within the housing 2 and a spatial separation of the first flow path 22 generated by the second flow path 21.
  • the first flow path can be separated from the second flow path, for example, by a wall extending between two opposite inner surfaces of the housing.
  • a clearance 24 is formed between the channel 23 and the housing 2 at the right-hand end region of the housing 2, and a free space 25 is formed at the left-hand end region. Through these free spaces 24, 25, which are formed by a spacing of the channel end to the housing inner wall, coolant can flow between the first flow path 22 and the second flow path 21.
  • the channel which delimits the first flow path can also extend over the entire length of the housing.
  • the channel advantageously has openings in one of its walls, which allow an overflow of the fluid between the flow paths. Furthermore, through openings in the walls also fluid communication of the channel with the coolant inlet and the coolant outlet can be generated.
  • FIG. 3 shows that the coolant flows into the housing 2 along the coolant inlet 5, where it flows vertically downwards into the second flow path 21 and also flows into the first flow path 22.
  • the coolant in the second flow path 21 flows around the tubes 3, whereby a heat transfer between the exhaust gas flowing in the tubes 3 and the coolant is generated.
  • the coolant in the first flow path 22, however, flows substantially thermally decoupled within the acting as a bypass first flow path 22 to the left and there exits the channel 23 from the end.
  • the coolant from the first flow path 22 and the second flow path 21 finally flows downwardly in a direction transverse to the main flow direction of the tubes 3 and out of the housing 2 through the coolant outlet 6.
  • the coolant in the first flow path 22 is thus passed directly to the inflow side 4 of the tubes 3, where it absorbs the heat of the exhaust gas. Since the coolant flowed through the first flow path 22 has a higher heat absorption capacity than the coolant which has already flowed along the tubes 3 through the second flow path 21, particularly good cooling at the inflow side 4 of the exhaust gas can be achieved.
  • the rectangular cross-section of the channel 23, which forms the bypass for the coolant can be seen.
  • the channel 23 is arranged above the tubes 3 at a distance from the tubes 3 in the housing 2. Furthermore, the division of the housing 2 in the first flow path 22 and the second flow path 21 can be seen.
  • FIG. 4 shows an alternative embodiment of the heat exchanger 20, wherein the coolant inlet 9 and the coolant outlet 6 are arranged on the lower outer wall of the housing 2.
  • the heat exchanger 20 of Figure 4 is carried out analogously to Figure 2, wherein in the interior of the housing 2, a channel 23 is also arranged as a bypass for the coolant.
  • the tubes 3 and the channel 23 have a rectangular cross-section. This is particularly advantageous in conjunction with the likewise rectangular cross-section of the housing 2 in order to achieve a uniform arrangement of the tubes 3 in the interior of the housing 2.
  • the cross-sectional shapes of the tubes, the channel and the housing may also differ.
  • the embodiment shown in FIGS. 3 and 4 is exemplary and has no restrictive character, in particular with regard to the geometry of the individual elements, the choice of material and the arrangement of the elements relative to one another.
  • FIG. 5 shows a diagram 30.
  • the ratio between the cross-sectional areas A B and A T is plotted in percent.
  • the X-axis shows ratios of 0% at the intersection of the axes 31, 32 and a maximum of 90%.
  • the Y-axis 32 shows the percentage reduction of the coolant requirement to achieve a defined exhaust gas temperature.
  • the Y-axis 32 shows values of 0% coolant reduction at the intersection of the axes 31, 32 up to a maximum of 35% reduction. In particular, no absolute values are plotted on the Y-axis 32, but in each case relative values for the individual heat exchangers 33 to 36.
  • the heat exchangers 33 to 36 are respectively flowed through in countercurrent.
  • the heat exchangers 33 to 36 may each differ by further geometrical configurations.
  • the number of tubes, the cross section of the tubes, the configuration of the inner and outer walls of the tubes or the spacing of the tubes can vary from one another. It can be seen that especially at a ratio of A B to A T above 15% and below 65%, the percentage reduction of the coolant requirement is increased compared to the ratios of A B to A T below 15% and above 65%. The ratio of 15% is indicated by the dashed line by the reference numeral 50.
  • the ratio of 65% is indicated by the dashed line by the reference numeral 51. Especially with a ratio of A B to A T in the range of 30% to 50%, the percentage reduction in the coolant requirement is particularly high.
  • the ratio of 30% is indicated by the dotted line with the reference numeral 52 and the ratio of 50% with the dashed line by the reference numeral 53.
  • the marking of the ratios 15%, 30%, 50% and 65% are indicated by the same reference numerals 50 , 52, 53 and 51 also for the following figure 6.
  • FIG. 6 shows a diagram 40, wherein on the X-axis 41, the ratio of A B to A T in percent is plotted and on the Y-axis 42, the pressure loss in percent.
  • the graph 40 likewise shows measured values for four heat exchangers 33, 34, 35 and 36.
  • the X-axis 41 forms, analogous to the X-axis 31 of FIG.
  • the Y-axis 42 shows a percentage of each of the heat exchanger 33 to 36 resulting pressure loss.
  • the Y-axis 42 shows values of 0% pressure loss at the intersection of the axes 41, 42 up to a maximum of 120% pressure loss at the upper end of the Y-axis 42.
  • the Y-axis 42 shows in particular no absolute values, but on the percentage representation relative values of the individual heat exchangers 33 to 36 to each other. It can be seen that the pressure loss in a range in which the ratio of A B to A T is between 15% and 65%, is lower than above 65% and below 15%.
  • the range in which the ratio of A B to A T is between 30% and 50% has the lowest values for the pressure loss.
  • Heat exchangers which have a ratio of the cross-sectional areas of 15% to 65% and preferably from 30% to 50%, are therefore particularly well suited to achieve a high thermodynamic efficiency with the lowest possible coolant requirement with the lowest possible pressure loss. Heat exchangers of this type are also suitable for generating a high cooling capacity.
  • the ratio of the cross-sectional areas A B to A T determines the dimension of the bypass relative to the total area through which the coolant flows.
  • a ratio of A B to A T between 30% and 50% is preferably to achieve in order to achieve the highest possible thermodynamic efficiency with the lowest possible coolant requirement and the lowest possible pressure loss ,
  • a low pressure loss is advantageous because the pumping power required to convey the coolant can be lower, whereby the corresponding pump can preferably be dimensioned smaller.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager (20) für einen Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs, mit einem Gehäuse (2) und mit einer Mehrzahl von Rohren (3), welche von einem Abgas durchströmbar sind und von einem Kühlmittel umströmbar sind, wobei die Rohre (3) innerhalb des Gehäuses (2) angeordnet sind und das Gehäuse (2) einen Kühlmitteleinlass (5, 9) und einen Kühlmittelauslass (6) aufweist, wobei das Abgas und das Kühlmittel im Gegenstrom zueinander durch den Wärmeübertrager (20) strömbar sind, wobei das Innenvolumen des Gehäuses (2) in einen ersten Strömungsweg (22) und einen zweiten Strömungsweg (21) unterteilt ist und die Rohre (3) innerhalb des zweiten Strömungsweges (21) angeordnet sind, wobei der erste Strömungsweg (22) einen Bypass zum zweiten Strömungsweg (21) ausbildet, wobei die Querschnittsfläche (AB) des ersten Strömungsweges (22) zwischen 15% und 65%, bevorzugt zwischen 30% und 50%, der insgesamt vom Kühlmittel durchströmten Querschnittsfläche (AT) des Gehäuses (2) beträgt, wobei die insgesamt vom Kühlmittel durchströmte Querschnittsfläche (AT) des Gehäuses (2) durch die Querschnittsfläche (AB) des ersten Strömungsweges (22) und die Querschnittsfläche des zweiten Strömungsweges (21) abzüglich der von den Rohren (3) eingenommenen Quer- schnittsfläche gebildet ist.

Description

Wärmeübertrager
Beschreibung
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager für einen Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs, mit einem Gehäuse und mit einer Mehrzahl von Rohren, welche von einem Abgas durchströmbar sind und von einem Kühlmittel umströmbar sind, wobei die Rohre innerhalb des Gehäuses angeordnet sind und das Gehäuse einen Kühlmitteleinlass und einen Kühlmittelauslass aufweist, wobei das Abgas und das Kühlmittel im Gegenstrom zueinander durch den Wärmeübertrager strömbar sind, wobei das Innenvolumen des Gehäuses in einen ersten Strömungsweg und einen zweiten Strömungsweg unterteilt ist und die Rohre innerhalb des zweiten Strömungsweges angeordnet sind, wobei der erste Strömungsweg einen Bypass zum zweiten Strö- mungsweg ausbildet.
Stand der Technik
In Kraftfahrzeugen werden Wärmeübertrager eingesetzt, um Abgas, welches vom Verbrennungsmotor kommt, zu kühlen. Hierzu wird zwischen dem in einem Abgasstrang strömenden Abgas und einem Kühlmittel ein Wärmeübertrag erzeugt, um Wärme von dem Abgas auf das Kühlmittel zu übertragen.
Das abgekühlte Abgas kann dem Verbrennungsmotor im Rahmen einer sogenann- ten Abgasrückführung wieder zugeführt werden. Durch die Beimengung von gekühl- tem Abgas zur Frischluft, welche zur Verbrennung in den Brennraum geführt wird, kann die Schadstoffemission des Verbrennungsmotors verringert werden.
Eine im Stand der Technik bekannte Bauform ist ein Rohrbündel-Wärmeübertrager. Das Abgas wird in diesem durch eine Mehrzahl von Rohren geführt, welche inner- halb eines Gehäuses angeordnet sind und mit einem Kühlmittel umströmt werden. Aus der DE 10 2008 038 629 A1 ist ein Wärmeübertrager dieser Art bekannt.
Die Vorrichtungen, welche aus dem Stand der Technik bekannt sind, können derart durchströmt werden, dass das Abgas und das Kühlmittel im Wesentlichen in gleiche Richtungen (Gleichstrom) strömen oder derart, dass das Abgas und das Kühlmittel in entgegengesetzte Richtungen (Gegenstrom) strömen. Aus der DE 10 2006 005 246 A1 ist ein Wärmeübertrager für einen Abgasstrang bekannt, welcher sowohl für eine Durchströmung im Gleichstrom als auch für eine Durchströmung im Gegenstrom verwendet werden kann.
Nachteilig an den Vorrichtungen im Stand der Technik ist insbesondere, dass es an der Einströmseite des Abgases in den Wärmeübertrager zu Überhitzungen kommen kann, welche zu einem Sieden des Kühlmittels innerhalb des Wärmeübertragers führen. Ein Sieden des Kühlmittels kann Schäden am Kühlmittelkreislauf verursachen und starkes Sieden senkt insgesamt den thermodynamischen Wirkungsgrad.
Aus der DE 10 2009 034 723 A1 ist ein Wärmeübertrager bekannt, welcher jeweils zwei Fluideinlässe für das Kühlmittel und einen Fluidauslass für das Kühlmittel vorsieht. Durch den zusätzlichen Fluideinlass kann die Kühlmittelverteilung an der Ein- strömseite des Abgases verbessert werden, wodurch dem Sieden des Kühlmittels entgegengewirkt werden kann.
Nachteilig an diesem Wärmeübertrager ist, dass zusätzliche Fluidanschlüsse vorgesehen werden müssen, wodurch der Aufbau des Wärmeübertragers komplexer wird und ein größerer Bauraum benötigt wird. Darstellung der Erfindung. Aufgabe. Lösung. Vorteile
Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Wärmeübertrager zu schaffen, der das Sieden des Kühlmittels an der Einströmseite des Abgases wirkungsvoll reduziert oder gänzlich vermeidet.
Die Aufgabe hinsichtlich des Wärmeübertragers wird durch einen Wärmeübertrager mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager für einen Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs, mit einem Gehäuse und mit einer Mehrzahl von Rohren, welche von einem Abgas durchströmbar sind und von einem Kühlmittel umströmbar sind, wobei die Rohre innerhalb des Gehäuses angeordnet sind und das Gehäuse einen Kühlmitteleinlass und einen Kühlmittelauslass aufweist, wobei das Abgas und das Kühlmittel im Gegenstrom zueinander durch den Wärmeübertrager strömbar sind, wobei das Innenvolumen des Gehäuses in einen ersten Strömungsweg und einen zweiten Strömungsweg unterteilt ist und die Rohre innerhalb des zweiten Strömungsweges angeordnet sind, wobei der erste Strömungsweg einen Bypass zum zweiten Strömungsweg ausbildet, wobei die Querschnittsfläche des ersten Strömungsweges zwischen 15% und 65%, bevorzugt zwischen 30% und 50%, der insgesamt vom Kühlmittel durchströmten Querschnittsfläche des Gehäuses beträgt, wobei die insgesamt vom Kühlmittel durchströmte Querschnittsfläche des Gehäuses durch die Querschnittsfläche des ersten Strömungsweges und die Querschnittsfläche des zweiten Strömungsweges abzüglich der von den Rohren eingenommenen Querschnittsfläche gebildet ist.
Ein Bypass für das Kühlmittel ist besonders vorteilhaft, um das Kühlmittel innerhalb des Gehäuses gezielt zu der Seite führen zu können, an welcher das Abgas in die Rohre eintritt. An der Einströmseite des Abgases weist das Abgas das höchste Temperaturniveau auf, wodurch das Kühlmittel in diesem Bereich stark erhitzt wird. Im Extremfall kann es zu starkem Sieden, sogenanntem Filmsieden, des Kühlmittels in diesem Bereich kommen, wodurch der Kühlmittelkreislauf beschädigt werden kann und die Kühlleistung insgesamt reduziert wird. Der Bypass führt vorteilhafterweise Kühlmittel direkt vom Kühlmitteleinlass zur Einströmseite des Abgases ohne vorher eine wesentliche Wärmemenge aufzunehmen.
Bevorzugt strömen das Kühlmittel und das Abgas im Gegenstrom zueinander, wodurch der mögliche Wärmeübertrag zwischen dem Abgas und dem Kühlmittel ma- ximlert wird. Demnach tritt das Kühlmittel, welches den zweiten Strömungsweg durchströmt, durch das Umströmen der Rohre bereits in einen Wärmeübertrag mit dem Abgas bevor es an der Einströmseite des Abgases ankommt. Die Wärmeaufnahmekapazität ist daher geringer als bei dem Kühlmittel, welches durch den Bypass beziehungsweise den ersten Strömungsweg direkt zur Einströmseite des Abgases strömt. Im Nachfolgenden werden die Bezeichnungen Bypass und erster Strömungsweg synonym verwendet.
Für das Kühlmittel ergeben sich vorteilhafterweise zwei Querschnittsflächen, deren Verhältnis einen wesentlichen Einfluss auf den entstehenden Druckverlust und auf die zur Erreichung einer bestimmten Kühlleistung erforderliche Kühlmittelmenge hat. Die erste Querschnittsfläche ist die Querschnittsfläche des Bypasses (AB) beziehungsweise des ersten Strömungsweges, während die zweite Querschnittsfläche durch die gesamte vom Kühlmittel durchströmte Querschnittsfläche (AT) innerhalb des Gehäuses gegeben ist, wobei hierzu die Querschnittsfläche des ersten Strömungsweges und die des zweiten Strömungsweges abzüglich der von den Rohren eingenommenen Querschnittsfläche zählen.
Bevorzugt liegt das Verhältnis der Querschnittsfläche AB zur Querschnittsfläche AT zwischen 15% und 65%, dabei besonders bevorzugt zwischen 30% und 50%. Es hat sich herausgestellt, dass unterschiedliche Wärmeübertrager, welche ein Verhältnis der Querschnittsflächen in diesem Bereich aufweisen, einen besonders niedrigen Kühlmittelbedarf haben, um eine vorgegebene Kühlleistung zu erreichen. Weiterhin ist der Druckverlust des Kühlmittels innerhalb des Gehäuses in einem solchen Grö- ßenbereich der Querschnittsflächen besonders niedrig. Ein Wärmeübertrager mit den Merkmalen von Anspruch 1 ist daher besonders geeignet, um eine maximale Kühlleistung bei minimalem Druckverlust zu erzeugen. Wärmeübertrager mit diesen Merkmalen weisen somit eine besonders günstige Kühlcharakteristik auf. Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn die Rohre einen rechteckförmigen Querschnitt aufweisen, wobei die Breite des Querschnitts jeweils zwischen 13mm und 17mm beträgt und die Höhe zwischen 4mm und 5mm beträgt.
Ein rechteckiger Querschnitt der Rohre ist besonders vorteilhaft in Verbindung mit einem ebenfalls rechteckigen Gehäusequerschnitt. In einer solchen Anordnung lassen sich die Rohre untereinander und zu dem Gehäuse auf einfache Weise beabstanden, so dass geeignete Spalte zwischen den Rohren und dem Gehäuse entstehen, um eine ausreichende Durchströmung mit dem Kühlmittel zu gewährleisten. Besonders bevorzugt weisen die Rohre einen rechteckigen Querschnitt auf, welcher eine Breite zwischen 13mm und 17mm und eine Höhe zwischen 4mm und 5mm aufweist. Rohre dieser Dimension sind vorteilhaft, da sie ein sehr gutes Verhältnis von durchströmbaren Querschnitt zur Außenfläche aufweisen, welches insbesondere für Anwendungen in einem Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs vorteilhaft ist, um eine maximale Kühlleistung zu erreichen. Hierbei sind insbesondere die gewöhnlich zu erwartenden Abgastemperaturen von mehreren hundert Grad Celsius, die gewöhnlich vorherrschende Kühlmitteltemperatur und die nach der Abkühlung zu erreichende Abgastemperatur entscheidende Größen für die Auslegung des Wärmeübertragers.
Auch ist es zu bevorzugen, wenn die Rohre derart zueinander beabstandet angeordnet sind, dass die Mittelachsen der Rohre in der Breite um 14,5mm bis 18,5mm zueinander beabstandet sind und in der Höhe um 5,5mm bis 6,5mm zueinander beabstandet sind. Eine Anordnung mit einer Teilung in der Breite von 14,5mm bis 18,5mm und mit einer Teilung in der Höhe von 5,5mm bis 6,5mm ist besonders vorteilhaft, um bei gegebenen Rohrgrößen, wie sie vorausgehend beschrieben wurden, jeweils ausreichende Spalte zwischen den zueinander benachbarten Rohren zu erreichen. Die Spaltgröße muss dabei ausreichend groß sein, um eine Stauung oder die Erzeugung eines zu hohen Druckverlustes zu vermeiden.
Auch ist es vorteilhaft, wenn der erste Strömungsweg thermisch isoliert gegenüber dem zweiten Strömungsweg und/oder dem Gehäuse und/oder den Rohren und/oder dem die Rohre umströmenden Kühlmittel ist.
Eine thermische Isolation ist besonders vorteilhaft, da sie dazu führt, dass das Kühlmittel, welches durch den Bypass beziehungsweise den ersten Strömungsweg strömt, thermisch von dem Kühlmittel im zweiten Strömungsweg und insbesondere von dem Abgas in den Rohren entkoppelt ist. Daher weist das Kühlmittel nach dem Ausströmen aus dem Bypass in den zweiten Strömungsweg im Bereich der Abgaseinströmseite eine besonders große Wärmeaufnahmekapazität auf, wodurch eine besonders große Kühlwirkung erzeugt werden kann und das Sieden des Kühlmittels wirksam verhindert werden kann. Auch ist es zweckmäßig, wenn der Kühlmitteleinlass und die Einströmseite des Abgases in Haupterstreckungsrichtung der Rohre an gegenüberliegenden Endbereichen des Gehäuses angeordnet sind.
Durch die Anordnung des Kühlmitteleinlasses und der Einströmseite des Abgases an sich gegenüberliegenden Endbereichen wird ein Durchströmen des Wärmeübertragers im Gegenstrom erreicht. Dies ist besonders vorteilhaft, um einen möglichst großen Wärmeübertrag innerhalb des Wärmeübertragers realisieren zu können.
Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn die Rohre an ihrer Innenfläche und/oder an ihrer Außenfläche turbulenzerzeugende Mittel aufweisen. Turbulenzerzeugende Mittel, wie beispielsweise Winglets oder Rippen, sind besonders vorteilhaft, um eine Verwirbelung des Abgases und/oder des Kühlmittels zu erzeugen. In turbulenten Strömungen kann ein größerer Wärmeübertrag erzielt werden als in laminaren Strömungen. Außerdem können Stauungen des Kühlmittels und die dadurch entstehenden Bereiche hoher Temperatur reduziert werden oder vollständig vermieden werden.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel Ist dadurch gekennzeichnet, dass die Einströmrichtung und/oder die Ausströmrichtung des Kühlmittels jeweils eine Normale zur Hauptdurchströmungsrichtung der Rohre bildet.
Eine solche Anordnung des Kühlmitteleinlasses und des Kühlmittelauslasses ist besonders bevorzugt, um eine möglichst kompakte Bauform zu erhalten. Weiterhin ist es vorteilhaft, da insbesondere durch eine Einströmrichtung des Kühlmittels, welche als Normale zur Hauptdurchströmungsrichtung der Rohre ausgerichtet ist, eine vor- teilhafte Verteilung des Kühlmittels über den gesamten Querschnitt des Gehäuses erreicht werden kann. Die Ausbreitungsrichtung des Kühlmittels liegt hier in direkter Verlängerung der Einströmrichtung, wodurch das Kühlmittel keine oder nur unwesentliche Umlenkungen erfahren muss, um sich vollständig über den Querschnitt des Gehäuses zu verteilen.
Weiterhin ist es besonders vorteilhaft, wenn der erste Strömungsweg an einer der Innenflächen des Gehäuses ausgebildet ist und durch eine Wandung von dem zweiten Strömungsweg abgetrennt ist. Eine Anordnung des ersten Strömungsweges beziehungsweise des Bypasses an einer der Innenflächen des Gehäuses ist vorteilhaft, um den Bypass räumlich getrennt von den durch das Gehäuse verlaufenden Rohren auszuführen. Dies dient der einfacheren Strömungsführung und reduziert weiterhin den Wärmeübertrag von den Rohren beziehungsweise dem darin strömenden Abgas auf das Kühlmittel im By- pass. Auch ist es zu bevorzugen, wenn die Wandung eine oder mehrere Öffnungen aufweist, welche jeweils einen Kühlmittelübertritt zwischen dem ersten Strömungsweg und dem zweiten Strömungsweg bilden.
Bevorzugt ist ein Übertritt des Kühlmittels aus dem zweiten Strömungsweg in den ersten Strömungsweg beziehungsweise von dem ersten Strömungsweg in den zweiten Strömungsweg durch Öffnungen in der den Bypass begrenzenden Wandung möglich. Auf diese Weise kann das Kühlmittel leicht zwischen den beiden Strömungswegen ausgetauscht werden. Bevorzugt sind die Öffnungen im Bereich des Kühlmitteleinlasses und des Kühlmittelauslasses angeordnet.
Auch ist es vorteilhaft, wenn der Kanal eine kürzere Erstreckung entlang der Haupt- erstreckungsrichtung der Rohre aufweist als das Innere des Gehäuses, wobei die offenen Endbereiche des Kanals frei in das Innenvolumen des Gehäuses münden. Durch eine kürzere Erstreckung des Kanals im Vergleich zum Inneren des Gehäuses kann sichergestellt werden, dass die offenen Endbereiche des Kanals nicht an den das Innenvolumen des Gehäuses begrenzenden Wandungen anliegen, wodurch ein Fluid übertritt vom zweiten Strömungsweg in den Bypass erschwert werden könnte. Alternativ zu den frei in das Innenvolumen mündenden Endbereichen, kann der Ka- nal auch Öffnungen aufweisen, welche den Fluidübertritt zwischen den Strömungswegen ermöglichen.
Darüber hinaus ist es zweckmäßig, wenn das Kühlmittel vom Kühlmitteleinlass durch den ersten Strömungsweg in den zweiten Strömungsweg strömbar ist und/oder, wenn das Kühlmittel aus dem ersten Strömungsweg durch den zweiten Strömungsweg zum Kühlmittelauslass strömbar ist.
Je nach Lage des Kühlmitteleinlasses relativ zum Bypass, kann das Kühlmittel entweder vom Kühlmitteleinlass direkt in den zweiten Strömungsweg strömen und von dort durch die Öffnung in den Bypass oder direkt vom Kühlmitteleinlass in den Bypass und durch die Öffnung in den zweiten Strömungsweg. Der Kühlmittelauslass ist bevorzugt auf der dem Bypass gegenüberliegenden Seite des Gehäuses angeordnet, um zu erreichen, dass das Kühlmittel aus dem Bypass in jedem Fall durch die Öffnung in den zweiten Strömungsweg überströmt bevor es aus dem Kühlm'rttelaus- lass ausströmt. Auf diese Weise wird die zusätzliche Kühlung der Abgaseinströmseite, welche an dem Endbereich des Wärmeübertragers angeordnet ist der auch den Kühlmittelauslass aufweist, gewährleistet.
Auch ist es vorteilhaft, wenn die Rohre endseitig in Rohrböden aufgenommen sind, welche den vom Kühlmittel durchströmbaren Bereich des Gehäuses in einer Richtung entlang der Hauptdurchströmungsrichtung der Rohre begrenzen.
Rohrböden sind vorteilhaft, um eine Aufnahme für die Rohre zu bilden und weiterhin eine Begrenzung des vom Kühlmittel durchströmten Bereichs im Gehäuse zu erreichen. An den Rohrböden, welche bevorzugt fluiddicht mit dem Gehäuse verbunden sind, können Diffusoren oder andere Elemente angebunden werden, welche insbe- sondere die Zuleitung und Ableitung des Abgases in die Rohre hinein beziehungsweise aus den Rohren heraus begünstigen.
Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen und in der nachfolgenden Figurenbeschreibung beschrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezug- nähme auf die Zeichnungen detailliert erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 zwei Schnittansichten eines Wärmeübertragers, wie er aus dem
Stand der Technik bekannt ist, Fig. 2 zwei Schnittansichten eines alternativ ausgestalteten Wärmeübertragers, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist, Fig. 3 zwei Schnittansichten eines Wärmeübertragers, wobei im Inneren des Gehäuses ein Bypass zum Hauptströmungsweg des Kühlmittels angeordnet ist,
Fig. 4 zwei Schnittansichten eines Wärmeübertragers gemäß Figur 3, wobei der Kühlmittelelnlass auf der gleichen Seite des Gehäuses angeordnet ist, wie der Kühlmittelauslass,
Fig. 5 ein Diagramm, welches auf der X-Achse das Verhältnis der Querschnittsfläche des Bypasses im Verhältnis zu der gesamten vom Kühlmittel durchströmten Querschnittsfläche des Wärmeübertragers darstellt und auf der Y-Achse die prozentuale Reduktion des Kühlmittelbedarfs, und
Fig. 6 ein Diagramm, welches auf der X-Achse das Verhältnis der Quer- schnittsfläche des Bypasses im Verhältnis zu der gesamten vom
Kühlmittel durchströmten Querschnittsfläche des Wärmeübertrages darstellt, wobei auf der Y-Achse der jeweils entstehende Druckverlust aufgetragen ist.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
Die nachfolgenden Figuren 1 bis 4 zeigen jeweils zwei Ansichten eines Wärmeübertragers. Im linken Teil der Figuren ist jeweils eine Ansicht dargestellt, bei welcher die Rohre als Flächennormale zur Zeichnungsebene ausgerichtet sind. Der Blick des Betrachters ist entlang der Haupterstreckungsrichtung der Rohre gerichtet. Im rechten Teil der Figuren ist jeweils ein Längsschnitt durch den Wärmeübertrager dargestellt. Die Figur 1 zeigt einen Wärmeübertrager 1, welcher ein Gehäuse 2 aufweist. Durch das Gehäuse 2 verlaufen mehrere Rohre 3. Die Rohre 3 ragen links und rechts über das Gehäuse 2 hinaus und sind endseitig vorzugsweise von Rohrböden aufgenommen, welche das Gehäuse 2 nach links und rechts abschließen. Die Rohre 3 können von einem Abgas durchströmt werden. Mit dem Bezugszeichen 4 ist die Einströmseite gekennzeichnet, von welcher Abgas in die Rohre einströmen kann. Am rechten Endbereich der Rohre 3 ist mit dem Bezugszeichen 7 die Ausströmseite gekennzeichnet. In alternativen Ausgestaltungen können an der Einströmseite und der Ausströmseite zusätzlich Diffusoren angeordnet sein, welche das Einströmen des Abgases in die Rohre hinein und das Ausströmen des Abgases aus den Rohren heraus unterstützt.
Das Gehäuse 2 weist rechts an der oben liegenden Wandung einen Kühlmittelein- lass 5 auf. Dieser kann beispielsweise durch eine Öffnung in der Gehäusewandung oder durch einen Anschlussstutzen gebildet sein. Durch den Kühlmitteleinlass 5 kann ein Kühlmittel in das Gehäuse 2 einströmen. Am linken Ende an der unteren Gehäusewandung ist ein Kühlmittelauslass 6 angeordnet, durch welchen das Kühlmittel aus dem Gehäuse 2 ausströmen kann. Das Gehäuse 2 wird von der rechten Seite vom Kühlmitteleinlass 5 hin zur linken Seite zum Kühlmittelauslass 6 mit Kühlmittel durch- strömt. Die Rohre 3 werden hierbei von dem Kühlmittel umströmt, während sie von dem Abgas durchströmt werden.
Der Strömungsweg für das Kühlmittel im Inneren des Gehäuses 2 ist mit dem Bezugszeichen 8 gekennzeichnet.
Im linken Teil der Figur 1 ist zu erkennen, dass das Kühlmittel von oben durch den Kühlmitteleinlass 5 in das Gehäuse 2 einströmt und nach unten durch den Kühlmittelauslass 6 aus dem Gehäuse 2 ausströmt. Die Hauptdurchströmungsrichtung des Abgases in den Rohren 3 und die Hauptdurchströmungsrichtung des Kühlmittels in dem Strömungsweg 8 innerhalb des Gehäuses sind gegensinnig zueinander im sogenannten Gegenstrom ausgebildet. Die Rohre 3 sind in drei Dreierreihen übereinander angeordnet, wobei sich jeweils zwischen den Rohren 3 und den Innenwandungen des Gehäuses 2 Spalte ergeben, welche von dem Kühlmittel durchströmt werden können. Die Anzahl und Anordnung der Rohre ist beispielshaft und kann in alternativen Ausführungen beliebig variiert werden.
Die Figur 1 und die nachfolgende Figur 2 stellen Wärmeübertrager dar, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind.
Figur 2 zeigt einen Wärmeübertrager 1 , wie er bereits in Figur 1 gezeigt wurde. Im Unterschied zur Figur 1 ist der Kühlmitteleinlass 9 nicht an der oberen Außenwandung des Gehäuses 2 angeordnet, sondern wie der Kühlmittelauslass 6 auch an der unteren Außenwandung. Dies ist auch im linken Teil der Figur 2 zu erkennen.
Der übrige Aufbau des Wärmeübertragers 1 der Figur 2 stimmt mit dem Aufbau des Wärmeübertragers 1 der Figur 1 überein. Für identische Elemente sind identische Bezugszeichen verwendet worden.
Figur 3 zeigt eine Ansicht eines Wärmeübertragers 20. Ähnlich dem Wärmeübertrager 1 der Figur 1 ist am rechten Endbereich an der oberen Außenwandung des Ge- häuses 2 ein Kühlmitteleinlass 5 angeordnet und an der unteren Außenwandung am linken Endbereich ein Kühlmittelauslass 6. Das Gehäuse 2 weist im Inneren einen ersten Strömungsweg 22 auf und einen zweiten Strömungsweg 21.
Im zweiten Strömungsweg 21 sind die Rohre 3 angeordnet Der erste Strömungsweg 22 kann, wie in den Figuren 3 und 4 dargestellt, durch einen Kanal 23 gebildet sein, welches oberhalb der Rohre 3 innerhalb des Gehäuses 2 angeordnet ist und eine räumliche Trennung des ersten Strömungsweges 22 vom zweiten Strömungsweg 21 erzeugt. Alternativ kann der erste Strömungsweg beispielsweise auch durch eine Wandung, welche zwischen zwei sich gegenüberliegenden Innenflächen des Gehäu- ses verläuft, vom zweiten Strömungsweg abgetrennt werden. In der Figur 3 ist zwischen dem Kanal 23 und dem Gehäuse 2 am rechten Endbereich des Gehäuses 2 ein Freiraum 24 und am linken Endbereich ein Freiraum 25 ausgebildet. Durch diese Freiräume 24, 25, welche durch eine Beabstandung des Kanalendes zur Gehäuseinnenwandung gebildet sind, kann Kühlmittel zwischen dem ersten Strömungsweg 22 und dem zweiten Strömungsweg 21 strömen.
In einer alternativen Ausführung kann sich der Kanal, welcher den ersten Strömungsweg begrenzt, auch über die gesamte Länge des Gehäuses erstrecken. Dann weist der Kanal vorteilhafterweise Öffnungen in einer seiner Wandungen auf, welche ein Überströmen des Fluids zwischen den Strömungswegen erlauben. Weiterhin kann durch Öffnungen in den Wandungen auch eine Fluidkommunikation des Kanals mit dem Kühlmitteleinlass und dem Kühlmittelauslass erzeugt werden.
Figur 3 zeigt, dass das Kühlmittel entlang des Kühlmitteleinlasses 5 in das Gehäuse 2 einströmt und dort vertikal nach unten in den zweiten Strömungsweg 21 strömt und auch in den ersten Strömungsweg 22 strömt. Das Kühlmittel im zweiten Strömungsweg 21 umströmt die Rohre 3, wodurch ein Wärmeübertrag zwischen dem in den Rohren 3 strömenden Abgas und dem Kühlmittel erzeugt wird. Das Kühlmittel im ersten Strömungsweg 22 strömt hingegen im Wesentlichen thermisch entkoppelt innerhalb des als Bypass fungierenden ersten Strömungsweges 22 nach links und tritt dort endseitig aus dem Kanal 23 aus. Das Kühlmittel aus dem ersten Strömungsweg 22 und dem zweiten Strömungsweg 21 strömt schließlich in einer Richtung quer zur Hauptdurchströmungsrichtung der Rohre 3 nach unten und durch den Kühlmittelauslass 6 aus dem Gehäuse 2 aus. Das Kühlmittel im ersten Strömungsweg 22 wird somit direkt an die Einströmseite 4 der Rohre 3 geleitet und nimmt dort die Wärme des Abgases auf. Da das durch den ersten Strömungsweg 22 geströmte Kühlmittel eine höhere Wärmeaufnahmekapazität aufweist als das Kühlmittel, welches bereits an den Rohren 3 entlang durch den zweiten Strömungsweg 21 geströmt ist, kann eine besonders gute Abkühlung an der Einströmseite 4 des Abgases erreicht werden. Im linken Teil der Figur 3 ist der rechteckige Querschnitt des Kanals 23, welcher den Bypass für das Kühlmittel bildet, zu erkennen. Der Kanal 23 ist oberhalb der Rohre 3 mit einem Abstand zu den Rohren 3 im Gehäuse 2 angeordnet. Weiterhin ist die Aufteilung des Gehäuses 2 in den ersten Strömungsweg 22 und den zweiten Strömungsweg 21 zu erkennen.
Die Querschnittsfläche des Kanals 23 beziehungsweise des ersten Strömungsweges 22 ist mit AB bezeichnet. Die gesamte innere Querschnittsfläche des Gehäuses 2, welche von dem Kühlmittel durchströmt wird, wird als AT bezeichnet. Die Querschnittsfläche AT ist durch die Querschnittsfläche des ersten Strömungsweges 22 und des zweiten Strömungsweges 21 abzüglich der Querschnittsfläche des Rohre 3 gebildet. Bevorzug ist das Verhältnis von AB ZU AT zwischen 15% und 65%. Besonders bevorzugt liegt es dabei zwischen 30% und 50%. Die Vorteile eines solchen Verhältnisses werden in der nachfolgenden Figur 5 näher erläutert. Figur 4 zeigt eine alternative Ausführungsform des Wärmeübertragers 20, wobei der Kühlmitteleinlass 9 und der Kühlmittelauslass 6 an der unteren Außenwandung des Gehäuses 2 angeordnet sind. Der Wärmeübertrager 20 der Figur 4 ist analog der Figur 2 ausgeführt, wobei im Inneren des Gehäuses 2 ebenfalls ein Kanal 23 als Bypass für das Kühlmittel angeordnet ist.
Durch die unterschiedliche Anordnung des Kühlmitteleinlasses 9 wird auch die Durchströmung der Strömungswege 22, 21 beeinflusst. In Figur 4 strömt das Kühlmittel durch den Kühlmitteleinlass 9 von unten in den zweiten Strömungsweg 21 und dort einerseits nach links und andererseits werter nach oben und durch den Freiraum 24 in den erste Strömungsweg 22. Am Ende des Kanals 23 strömt das Kühlmittel im Bereich der Einströmseite 4 durch den Freiraum 25 an die Rohre 3, wodurch eine starke Kühlung der Rohre 3 erzeugt werden kann. Das Kühlmittel strömt schließlich über den Kühlmittelauslass 6 aus dem Gehäuse 2. Im linken Teil der Figur 4 ist die Anordnung des Kühlmitteleinlasses 9 und des Kühlmittelauslasses 6 an der unteren Außenwandung des Gehäuses 2 zu erkennen. Die beiden Querschnittsflächen AB und AT sind wie in der vorausgegangenen Figur 3 ausgebildet. in den Figuren 3 und 4 weisen die Rohre 3 und der Kanal 23 einen rechteckförmigen Querschnitt auf. Dies ist besonders im Zusammenspiel mit dem ebenfalls rechteck- förmigen Querschnitt des Gehäuses 2 vorteilhaft, um eine gleichmäßige Anordnung der Rohre 3 im Inneren des Gehäuses 2 zu erreichen. In alternativen Ausführungs- formen können die Querschnittsformen der Rohre, des Kanals und des Gehäuses auch abweichen. Die in den Figuren 3 und 4 gezeigte Ausgestaltung ist beispielhaft und besitzt insbesondere hinsichtlich der Geometrie der einzelnen Elemente, der Ma- terialwahl und der Anordnung der Elemente relativ zueinander keinen beschränkenden Charakter.
Die Figur 5 zeigt ein Diagramm 30. Auf der X-Achse 31 ist das Verhältnis zwischen den Querschnittsflächen AB und AT in Prozent aufgetragen. Die X-Achse zeigt Ver- häitnisse von 0% im Schnittpunkt der Achsen 31 , 32 und maximal 90%. Die Y-Achse 32 zeigt prozentual die Reduktion des Kühlmittelbedarfs zum Erreichen einer definierten Abgastemperatur. Die Y-Achse 32 zeigt Werte von 0% Kühlmittelreduktion am Schnittpunkt der Achsen 31, 32 bis zu maximal 35% Reduktion. Auf der Y-Achse 32 sind insbesondere keine absoluten Werte aufgetragen, sondern jeweils relative Werte für die einzelnen Wärmeübertrager 33 bis 36.
In dem Diagramm 30 sind Messwerte für vier unterschiedliche Wärmeübertrager 33, 34, 35 und 36 für unterschiedliche Verhältnisse von AB ZU AT dargestellt. Die Wärmeübertrager 33 bis 36 sind jeweils im Gegenstrom durchströmt. Weiterhin können sich die Wärmeübertrager 33 bis 36 jeweils durch weitere geometrische Gestaltungen unterscheiden. So können beispielsweise die Rohranzahl, der Querschnitt der Rohre, die Ausgestaltung der Innen- und Außenwände der Rohre oder die Beab- standung der Rohre zueinander variieren. Es ist zu erkennen, dass insbesondere bei einem Verhältnis von AB ZU AT oberhalb von 15% und unterhalb von 65% die prozentuale Reduktion des Kühlmittelbedarfs erhöht ist im Vergleich zu den Verhältnissen von AB ZU AT unterhalb von 15% und oberhalb von 65%. Das Verhältnis von 15% ist durch die gestrichelte Linie mit dem Bezugszeichen 50 markiert. Das Verhältnis von 65% ist mit der gestrichelten Linie mit dem Bezugszeichen 51 markiert. Insbesondere bei einem Verhältnis von AB ZU AT im Bereich von 30% bis 50% ist die prozentuale Reduktion des Kühlmittelbedarfs besonders hoch. Das Verhältnis von 30% ist mit der gestrichelten Linie mit dem Bezugszeichen 52 markiert und das Verhältnis von 50% mit der gestrichelten Linie mit dem Bezugszeichen 53. Die Markierung der Verhältnisse 15%, 30%, 50% und 65% gilt mit denselben Bezugszeichen 50, 52, 53 und 51 auch für die nachfolgende Figur 6.
Daraus folgt, dass bei einem Verhältnis der Querschnittsflächen von AB ZU AT im Bereich von 30% bis 50% eine besonders starke Reduktion des Kühlmittelbedarfs für unterschiedliche Wärmeübertrager 33 bis 36 erreicht werden kann. Dies führt zu ei- nem besonders effizienten Betrieb der jeweiligen Wärmeübertrager 33 bis 36 mit einem hohen thermodynamischen Wirkungsgrad.
Die prozentuale Reduktion des Kühlmittelbedarfs für die einzelnen Wärmeübertrager 33 bis 36 folgt mit ansteigendem Verhältnis zwischen AB und AT einer kuppelförmi- gen nach oben gewölbten Kurve im Diagramm 30. Bei einem geringen Verhältnis von AB ZU AT unterhalb von 15% ist die Kühlmittelreduktion besonders niedrig und nimmt hin zu einem Verhältnis zwischen 30% und 50% zu. Oberhalb von 50% nimmt die Kühlmittelreduktion schließlich wieder ab. Figur 6 zeigt ein Diagramm 40, wobei auf der X-Achse 41 das Verhältnis von AB zu AT in Prozent aufgetragen ist und auf der Y-Achse 42 der Druckverlust in Prozent. In dem Diagramm 40 sind ebenfalls Messwerte für vier Wärmeübertrager 33, 34, 35 und 36 dargestellt. Die X-Achse 41 bildet analog der X-Achse 31 der Figur 5 einen Wertebereich von Verhältnissen von 0% im Schnittpunkt der Achsen 41 , 42 und ma- ximal 90% am rechten Ende der X-Achse 41 ab. Die Y-Achse 42 zeigt prozentual den jeweils am Wärmeübertrager 33 bis 36 entstehenden Druckverlust. Die Y-Achse 42 zeigt Werte von 0% Druckverlust am Schnittpunkt der Achsen 41 , 42 bis zu maximal 120% Druckverlust am oberen Endbereich der Y-Achse 42. Die Y-Achse 42 zeigt insbesondere keine absoluten Werte, sondern über die prozentuale Darstellung relative Werte der einzelnen Wärmeübertrager 33 bis 36 zueinander. Es ist zu erkennen, dass der Druckverlust in einem Bereich, in welchem das Verhältnis von AB ZU AT zwischen 15% und 65% liegt, niedriger ist als oberhalb von 65% und unterhalb von 15%. Der Bereich, in welchem das Verhältnis von AB zu AT zwischen 30% und 50% liegt weist die niedrigsten Werte für den Druckverlust auf. Wärmeübertrager, welche ein Verhältiis der Querschnittsflächen von 15% bis 65% und dabei bevorzugt von 30% bis 50% aufweisen, sind daher besonders gut geeignet, um mit einem möglichst geringen Kühlmittelbedarf bei einem möglichst geringen Druckverlust einen hohen thermodynamischen Wirkungsgrad zu erzielen. Auch sind Wärmeübertrager dieser Art geeignet, um eine hohe Kühlleistung zu erzeugen.
Über das Verhältnis der Querschnittsflächen AB ZU AT wird insbesondere die Dimension des Bypasses relativ zur gesamten vom Kühlmittel durchströmten Fläche bestimmt. Wie die Diagramme 30, 40 der Figuren 5 und 6 zeigen, ist bevorzugt ein Verhältnis von AB ZU AT zwischen 30% und 50% zu erreichen, um einen möglichst hohen thermodynamischen Wirkungsgrad bei einem möglichst geringen Kühlmittelbedarf und einem möglichst geringen Druckverlust zu erreichen. Ein geringer Druckverlust ist vorteilhaft, da die zur Förderung des Kühlmittels benötigte Pumpleistung geringer ausfallen kann, wodurch die entsprechende Pumpe vorzugsweise kleiner dimensioniert werden kann.

Claims

Patentansprüche Wärmeübertrager (20) für einen Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs, mit einem Gehäuse (2) und mit einer Mehrzahl von Rohren (3), welche von einem Abgas durchströmbar sind und von einem Kühlmittel umströmbar sind, wobei die Rohre (3) innerhalb des Gehäuses (2) angeordnet sind und das Gehäuse (2) einen Kühlmitteleinlass (5, 9) und einen Kühlmittelauslass (6) aufweist, wobei das Abgas und das Kühlmittel im Gegenstrom zueinander durch den Wärmeübertrager (20) strömbar sind, wobei das Innenvolumen des Gehäuses (2) in einen ersten Strömungsweg (22) und einen zweiten Strömungsweg (21) unter- teilt ist und die Rohre (3) innerhalb des zweiten Strömungsweges (21) angeordnet sind, wobei der erste Strömungsweg (22) einen Bypass zum zweiten Strömungsweg (21 ) ausbildet dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche (AB) des ersten Strömungsweges (22) zwischen 15% und 65%, bevorzugt zwischen 30% und 50%, der insgesamt vom Kühlmittel durchström- ten Querschnittsfläche (AT) des Gehäuses (2) beträgt, wobei die insgesamt vom Kühlmittel durchströmte Querschnittsfläche (AT) des Gehäuses (2) durch die Querschnittsfläche (AB) des ersten Strömungsweges (22) und die Querschnittsfläche des zweiten Strömungsweges (21) abzüglich der von den Rohren (3) eingenommenen Querschnittsfläche gebildet ist. Wärmeübertrager (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre (3) einen rechteckförmigen Querschnitt aufweisen, wobei die Breite des Querschnitts jeweils zwischen 13mm und 17mm beträgt und die Höhe zwischen 4mm und 5mm beträgt. Wärmeübertrager (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre (3) derart zueinander beabstandet angeordnet sind, dass die Mittelachsen der Rohre (3) in der Breite um 14,5mm bis 18,5mm zueinander beabstandet sind und in der Höhe um 5,5mm bis 6,5mm zueinander beabstandet sind. Wärmeübertrager (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Strömungsweg (22) thermisch isoliert gegenüber dem zweiten Strömungsweg (21 ) und/oder dem Gehäuse (2) und/oder den Rohren (3) und/oder dem die Rohre (3) umströmende Kühlmittel ist. Wärmeübertrager (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmitteleinlass (5, 9) und die Einströmseite (4) des Abgases in Haupterstreckungsrichtung der Rohre (3) an gegenüberliegenden Endbereichen des Gehäuses (2) angeordnet sind. Wärmeübertrager (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre (3) an ihrer Innenfläche und/oder an ihrer Außenfläche turbulenzerzeugende Mittel aufweisen. Wärmeübertrager (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einströmrichtung und/oder die Ausströmrichtung des Kühlmittels jeweils eine Normale zur Hauptdurchströmungsrichtung der Rohre (3) bildet. Wärmeübertrager (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Strömungsweg (22) an einer der Innenflächen des Gehäuses (2) ausgebildet ist und durch eine Wandung von dem zweiten Strömungsweg (21) abgetrennt ist oder durch einen Kanal (23) vom zweiten Strömungsweg (21) abgetrennt ist. Wärmeübertrager (20) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung eine oder mehrere Öffnungen aufweist, welche jeweils einen Kühlmittelübertritt zwischen dem ersten Strömungsweg (22) und dem zweiten Strömungsweg (21) bilden. Wärmeübertrager (20) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (23) eine kürzere Erstreckung entlang der Haupterstreckungsrichtung der Rohre (3) aufweist als das Innere des Gehäuses (2), wobei die offenen Endbereiche des Kanals (23) frei in das Innenvolumen des Gehäuses (2) münden. Wärmeübertrager (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel vom Kühlmitteleinlass (5, 9) durch den ersten Strömungsweg (22) in den zweiten Strömungsweg (21) strömbar ist und/oder, dass das Kühlmittel aus dem ersten Strömungsweg (22) durch den zweiten Strömungsweg (21 ) zum Kühlmittelauslass (6) strömbar ist.
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