WO2009074148A2 - Wärmetauscher - Google Patents

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WO2009074148A2
WO2009074148A2 PCT/DE2008/002063 DE2008002063W WO2009074148A2 WO 2009074148 A2 WO2009074148 A2 WO 2009074148A2 DE 2008002063 W DE2008002063 W DE 2008002063W WO 2009074148 A2 WO2009074148 A2 WO 2009074148A2
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cooling
insert
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Dietmar Abendroth
Dietmar Krauss
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GEA MASCHINENKüHLTECHNIK GMBH
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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
    • 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
    • F28D7/1615—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 being inside a casing and extending at an angle to the longitudinal axis of the casing; the conduits crossing the conduit for the other heat exchange medium
    • F28D7/1623—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 being inside a casing and extending at an angle to the longitudinal axis of the casing; the conduits crossing the conduit for the other heat exchange medium with particular pattern of flow of the heat exchange media, e.g. change of flow direction
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F28F1/10—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses
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    • F28D21/0001—Recuperative heat exchangers
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to a heat exchanger according to the features of claim 1.
  • Such heat exchangers are known in many embodiments.
  • the turbulators formed on the cooling ribs serve in this case for improved heat exchange between a hot gas flowing transversely to the ribbed cooling tubes and a coolant flowing into the cooling tubes, usually in the form of cooling water.
  • the invention is based on the object to provide a heat exchanger with which an effective heat exchange, especially for large amounts of gas can be achieved.
  • trough-like turbulators are provided on the circumference of the cooling tubes from the planes of the cooling fins.
  • the turbulators improve the heat exchange and thus increase the effectiveness of the heat exchanger.
  • All turbulators on the periphery of a cooling tube are preferably embossed in one direction.
  • this design ensures that as few pollutant particles of the gas as possible adhere to the turbulators or the cooling fins.
  • the heat exchanger is in particular one which is acted upon by particles laden gases, in particular exhaust gases.
  • each four of these kidney-shaped turbulators are provided circumferentially of a cooling tube.
  • the turbulators are arranged so that in each case two thin ends of the turbulators or two thick ends of the turbulators are arranged adjacent to each other. This results in a point-symmetrical arrangement with respect to the center of the individual cooling tubes or a mirror-symmetrical arrangement with respect to a longitudinal plane through the axes of the cooling tubes.
  • the turbulators are oriented in such a way that the turbulators arranged in front of a cooling tube, viewed in the flow direction of the gas, face the flow direction with their slimmer ends. Accordingly, the pair of turbulators, which is arranged behind the cooling tube, viewed in the direction of flow of the gas, is oriented such that its slimmer ends point in the direction of flow.
  • the first ends of the turbulators located adjacent to a longitudinal plane defined by the axes of cooling tubes lying one behind the other in the flow direction of the gas have a smaller radius than the other second ends.
  • the angle between the axis of a cooling tube and the adjacent lying of the longitudinal plane of the first end of a turbulator cutting plane to the longitudinal plane is about 15 °. - A -
  • the turbulators are limited in length and each extend over an angle of about 50 ° to 60 ° circumferentially of a cooling tube. This results in an angular range of 30 ° to 40 ° between two turbulators, in which no forms are provided in a cooling fin.
  • the ratio of the heat exchanger surfaces is particularly important for the effectiveness of the heat exchanger.
  • the surfaces of the cooling fins should be as large as possible, but without fouling too quickly. In principle, it is provided that the cooling fins of the cooling tubes consist of sheets.
  • a preferred application of the heat exchanger according to the invention are large internal combustion engines, for example on ships or in construction vehicles, where large exchange services are required in a compact design. Furthermore, such heat exchangers are used in connection with gas engines in biogas plants.
  • the finned cooling tubes components of an incorporated into a housing with coolant connections heat exchanger insert with a heat exchanger package are incorporated into a housing with coolant connections heat exchanger insert with a heat exchanger package.
  • the cooling fins extend over the entire cross section of a heat exchanger package.
  • the cooling fins extend from cooling tube to cooling tube or the cooling tubes pass through a series of stacked plates which form the cooling fins of the heat exchanger packet.
  • cooling fins in heat exchangers in the form of exhaust gas recoolers is not without problems, especially with very thin and close to each other cooling fins, since the exhaust is loaded with pollutant particles that attach to the cooling fins and so can hinder the flow and heat exchange.
  • a compactly built exhaust gas recooler without increasing the heat exchanger surface on the Exhaust side barely feasible, especially when very large amounts of exhaust gas to be cooled. Therefore, it is considered in the invention to be particularly advantageous if the heat exchanger is provided with a non-destructive exchangeable heat exchanger insert to replace the heat exchanger insert regularly or clean it.
  • Another essential aspect of the invention is that guide channels for the transfer of the coolant from and to the cooling tubes are formed between the heat exchanger insert and the housing. This means that the coolant in the region of the guide channels is in direct contact with the housing and thus cools the housing that forms the outer skin of the heat exchanger. This prevents overheating of the housing even with very high heat input.
  • the housing since the housing is not exchanged, at least a part of the housing may in a preferred application also be provided by an engine block or component, e.g. a housing of an intercooler, are formed.
  • a second housing half e.g. mounted on the housing portion of the engine block, serves as a kind of cover.
  • An additional heat input via the engine block or via another engine compartment component serving as the housing component in the heat exchanger packages is minimal, since between the heat exchanger package and the housing run the guide channels through which the coolant is passed.
  • the heat exchanger according to the invention is thus based on a very compact design, quasi double-walled housing concept with preferably exchangeable heat exchanger insert high efficiency.
  • the heat exchanger insert on two closed side walls and two perforated side walls, wherein the cooling tubes are mounted in the perforated side walls.
  • the heat exchanger insert virtually forms the inner housing, which is located within the located outside the housing.
  • the inner housing or the heat exchanger insert is enclosed by the outer housing at least in the region of the heat exchanger packets.
  • the housing has a rectangular cross-section.
  • the heat exchanger insert likewise has a rectangular cross section, so that guide channels of substantially constant thickness or constant cross-sectional area, in particular in the region of the closed side walls, but also in the region of the perforated side walls, result.
  • the guide channels are formed as a gap between the housing and the side walls.
  • the coolant inlet side and the coolant outlet side of adjacent heat exchanger packets lie in particular on opposite sides of the heat exchanger insert, so that the coolant has to travel a relatively long distance from the coolant outlet side of a first heat exchanger packet to the coolant inlet side of a further heat exchanger packet.
  • This is intended so that the housing is sufficiently cooled.
  • the cooling tubes of all heat exchanger packets are flowed through in the same direction.
  • the cooling tubes directly successive heat exchanger packets are flowed through in opposite directions. In this case, the coolant is passed in a manner meandering through the heat exchanger insert.
  • the heat exchanger insert at one end has an inflow region for the hot gas and at the other second end an outflow region for cooled gas.
  • the inflow and outflow areas of the heat exchanger insert are designed in particular conical. These inflow and outflow areas together with the heat exchanger packages the heat exchanger insert, which can be used as a kind of parallelepiped with cap-shaped conical inlet and outlet areas as a prefabricated unit in the housing.
  • the housing of the heat exchanger encloses this heat exchanger insert with its inflow and outflow areas.
  • the guide channels for the coolant also extend into the conically shaped inflow and outflow areas of the heat exchanger insert, so that there is no overheating of the housing even in these areas.
  • both the coolant connection in the outflow region of the cooled gas and the coolant connection in the inflow region of the hot gas are formed in a nozzle shape.
  • the coolant inlet is arranged in the outflow region and the coolant outlet in the inflow region of the gas, the heat exchange between the gas and the coolant takes place in a cross-counterflow.
  • the coolant inlet and the coolant outlet are formed in particular as a nozzle arranged opposite one another at the respective ends of the housing.
  • the heat exchanger insert is made of stainless steel.
  • FIG. 2 shows a vertical longitudinal section through the exhaust gas recooler of FIG
  • FIG. 1 A first figure.
  • Figure 3 is a vertical cross-section through the figure 2 along the line III
  • FIG. 4 in plan view, a cooling fin for receiving cooling tubes.
  • FIGS. 1 to 3 designates an exhaust gas recooler for a large internal combustion engine, which is otherwise not illustrated in more detail, as it can be used, for example, on a ship.
  • a hot exhaust gas AG passing from the internal combustion engine is placed in an indirect heat exchange with a coolant KM in the form of cooling water.
  • the exhaust gas recooler 1 has a cross-sectionally rectangular heat exchanger insert 2 with a conical inlet region 3 for hot exhaust gas AG at a first end 4.
  • the inflow region 3 follows an inflow pipe 5 for the hot exhaust gas AG.
  • the heat exchanger insert 2 has two mutually opposite closed side walls 9 and two offset by 90 ° to these side walls 9 perforated side walls 10 (Figure 3).
  • the heat exchanger insert 2 has three successive in the flow direction of the exhaust gas AG heat exchanger packets 11, 12, 13. These are composed of a number of cooling tubes 14 extending transversely to the flow direction of the exhaust gas AG and cooling fins 15 in the form of sheets (FIGS. 2 to 4) interspersed with the cooling tubes 14.
  • the heat exchanger insert 2 is enclosed by a housing 16, which has a conical first end region 17, a conical second end region 18 and, between the end regions 17, 18, four side walls 19, 20 which are assigned at right angles to one another.
  • conical annular gaps 24, 25 are formed at the first and second ends 4, 6 of the exhaust gas recooler 1.
  • inlet chambers 21 are formed on a coolant inlet side 34 and outlet chambers 22 on a coolant outlet side 35 for coolant KM, wherein the inlet chambers 21 and outlet chambers 22 of each heat exchanger package 11, 12, 13th from the inlet chambers 21 and outlet chambers 22 of the adjacent heat exchanger package 11, 12, 13 are watertight separated by webs 23.
  • the inlet chamber 21 of the heat exchanger package 11 is connected to the annular gap 25 and the outlet chamber 22 of the heat exchanger package 13 with the annular gap 24.
  • the annular gap 25 is connected to a nozzle-shaped coolant port 26 for the inlet of the coolant KM and the annular gap 24 to a nozzle-shaped coolant port 27 for the flow of the heated coolant KM.
  • the coolant KM passes from the coolant port 26 in the outflow region 7 of the cooled exhaust gas AG in the conical annular gap 25 between the heat exchanger insert 2 and the housing 16 at the second end 6. From here, the coolant KM passes through the two lateral guide channels 28 in the inlet chamber 21st From the inlet chamber 21 from the coolant KM flows through the cooling tubes 14 of the heat exchanger package 11 and enters its outlet chamber 22.
  • the coolant KM flows through the lateral oblique guide channels 28 to the inlet chamber 21 of the adjacent heat exchanger package 12, from here through the cooling tubes 14 of this heat exchanger package 12 to its outlet chamber 22 and from this outlet chamber 22 via the oblique lateral guide channels 28 in the inlet chamber 21 of the inflow region 3 adjacent heat exchanger core 13.
  • the coolant KM flows Here too, through the cooling tubes 14 to the outlet chamber 22 of this heat exchanger package 13 and then passes from the outlet chamber 22 via the oblique lateral guide channels 28 in the conical annular gap 24 between the conical inlet region 3 of the heat exchanger insert 2 and the likewise conical end portion 17 of the housing 16 and then in the heated state from this conical annular gap 24 via the coolant port 27 at the 1st end 4.
  • the cooling fins 15 circumferentially of the cooling tubes 14 are, as already indicated, provided with holes 29 sheets (Figure 4), which extend over the entire cross section of a heat exchanger package 11, 12, 13.
  • holes 29 sheets Figure 4
  • trough-like turbulators 30 are provided from the levels of the cooling fins.
  • the turbulators 30 are embossed in one direction from the cooling fins 15.
  • the turbulators 30 are kidney-shaped and adapted to the contour of the holes 29 and the cooling tubes 14 by their curvature. In each case, four turbulators 30 are provided on the circumference of a hole 29 in a cooling rib 15.
  • the angle ⁇ between a plane 31 of a hole 29 of a cooling fin 15 and that adjacent to the longitudinal plane LE lying first end 32 of a turbulator 30 intersecting plane E to the longitudinal plane LE is about 15 °.
  • the turbulators 30 extend over an angle ⁇ of about 50 ° to 60 ° circumferentially of a hole 29th
  • the housing 16 is formed divided in the horizontal central longitudinal plane, so that the heat exchanger insert 2 is arranged exchangeably in the housing 16.
  • the heat exchanger insert 2 and the heat exchanger packages 11, 12, 13 are made of stainless steel.

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Abstract

Der Wärmetauscher weist in einem Gehäuse einen Wärmetauschereinsatz mit mehreren zwischen einem Zuströmbereich und einem Abströmbereich eines Gases eingegliederten Wärmetauscherpaketen auf. Diese umfassen Kühlrohre (14) mit Kühlrippen (15). Umfangsseitig der Kühlrohre (14) sind aus den Ebenen der Kühlrippen (15) muldenartig geprägte Turbulatoren (30) vorgesehen.

Description

Wärmetauscher
Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1.
Derartige Wärmetauscher sind in vielen Ausführungsformen bekannt. Die an den Kühlrippen ausgebildeten Turbulatoren dienen hierbei einem verbesserten Wärmetausch zwischen einem die berippten Kühlrohre quer anströmenden heißen Gas und einem in den Kühlrohren strömenden Kühlmittel, zumeist in Form von Kühlwasser.
Auch im Kraftfahrzeugsektor werden solche Wärmetauscher dort eingesetzt, wo heißes Abgas mit Wasser gekühlt werden soll. Diesen Wärmetauschern haftet indessen das Problem der mangelnden Effektivität an. Diese beruht primär auf dem unbefriedigenden Flächenverhältnis der Kühlwasserseite zur Abgasseite in der Größenordnung von etwa 1:1. Dieses Problem der mangelnden Effektivität zeigt sich insbesondere bei Abgasrückkühlern für größere Verbrennungskraftmaschinen. Hierunter werden Verbrennungskraftmaschinen verstanden, die z.B. im maritimen Bereich auf Schiffen oder bei sehr schweren Baufahrzeugen verwendet werden. Ein weiteres Problem ist, dass die Abgase mit Partikeln beladen sind, die sich im Wärmetauscher ablagern können und sich nachteilig auf den Wirkungsgrad auswirken.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Wärmetauscher zu schaffen, mit dem ein effektiver Wärmetausch, insbesondere bei großen Gasmengen, erreicht werden kann.
Diese Aufgabe wird bei einem Wärmetauscher mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher sind umfangsseitig der Kühlrohre aus den Ebenen der Kühlrippen muldenartig geprägte Turbulatoren vorgesehen. Die Turbulatoren verbessern den Wärmetausch und erhöhen somit die Effektivität des Wärmetauschers. Obschon aufgrund der erfindungsgemäßen Gestaltung des Wärmetauschers nicht nur der Wärmetausch zwischen dem heißen Gas und dem Kühlmittel deutlich effizienter gestaltet werden kann, ist es im Rahmen der Erfindung wichtig, auf der Gasseite eine etwa um den Faktor 8 bis 20, insbesondere 8 bis 14, größere Wärmetauscherfläche bereitzustellen als auf der Kühlmittelseite, um die gewünschte größere Effektivität hinsichtlich des Wärmetauschs zwischen dem Gas und dem Kühlmittel zu erzielen.
Alle Turbulatoren umfangsseitig eines Kühlrohrs sind vorzugsweise in eine Richtung geprägt. Diese Ausgestaltung sorgt unter anderem dafür, dass möglichst wenige Schadstoffpartikel des Gases an den Turbulatoren bzw. den Kühlrippen haften bleiben. Dadurch können die zeitlichen Abstände zwischen den Inspektions- und Wartungsintervallen an einem Wärmetauscher verlängert werden. Der Wärmetauscher ist insbesondere ein solcher, der von mit Partikel beladenen Gasen, insbesondere Abgasen, beaufschlagt wird.
Es wurde festgestellt, dass sich die Wirkung der Turbulatoren weiter verbessert, wenn diese nierenförmig gestaltet sind, wobei jeweils vier dieser nierenförmig gestalteten Turbulatoren umfangsseitig eines Kühlrohrs vorgesehen sind.
Wichtig im Hinblick auf die Gestaltung der Turbulatoren ist, dass diese randseitig geschlossen sind und weiche gerundete Übergänge zu den Kühlrippen aufweisen, so dass sich möglichst keine Schadstoffpartikel an etwaigen scharfen Kanten festsetzen können. Die Turbulatoren sind so angeordnet, dass jeweils zwei dünne Enden der Turbulatoren bzw. zwei dicke Enden der Turbulatoren einander benachbart angeordnet sind. Dadurch ergibt sich eine punktsymmetrische Anordnung im Hinblick auf den Mittelpunkt der einzelnen Kühlrohre bzw. eine spiegelsymmetrische Anordnung im Hinblick auf eine Längsebene durch die Achsen der Kühlrohre.
Die Turbulatoren sind derart ausgerichtet, dass die in Strömungsrichtung des Gases gesehen vor einem Kühlrohr angeordneten Turbulatoren mit ihren schlankeren Enden der Strömungsrichtung zugewandt sind. Dementsprechend ist das Turbulatorenpaar, das in Strömungsrichtung des Gases gesehen hinter dem Kühlrohr angeordnet ist, so ausgerichtet, dass seine schlankeren Enden in Strömungsrichtung weisen.
Bei einer besonders vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Grundgedankens weisen die benachbart einer durch die Achsen von in Strömungsrichtung des Gases hintereinander liegenden Kühlrohren gelegten Längsebene befindlichen 1. Enden der Turbulatoren einen kleineren Radius als die anderen 2. Enden auf.
Dabei ist es sinnvoll, dass der Winkel zwischen einer die Achse eines Kühlrohrs und das benachbart der Längsebene liegende 1. Ende eines Turbulators schneidenden Ebene zur Längsebene etwa 15° beträgt. - A -
In vorteilhafter Weiterbildung sind die Turbulatoren in ihrer Länge begrenzt und erstrecken sich jeweils über einen Winkel von etwa 50° bis 60° umfangsseitig eines Kühlrohrs. Dadurch ergibt sich ein Winkelbereich von 30° bis 40° zwischen zwei Turbulatoren, in welchem keine Ausprägungen in einer Kühlrippe vorgesehen sind.
Besonders wichtig für die Effektivität des Wärmetauschers ist das Verhältnis der Wärmetauscherflächen. Die Flächen der Kühlrippen sollen möglichst groß sein, ohne jedoch zu schnell zu verschmutzen. Grundsätzlich ist vorgesehen, dass die Kühlrippen der Kühlrohre aus Blechen bestehen.
Ein bevorzugtes Einsatzgebiet des erfindungsgemäßen Wärmetauschers sind große Verbrennungskraftmaschinen, zum Beispiel auf Schiffen oder in Baufahrzeugen, wo große Austauschleistungen bei kompakter Bauweise verlangt werden. Ferner werden solche Wärmetauscher im Zusammenhang mit Gasmotoren bei Biogasanlagen eingesetzt.
Um den hier gestellten Anforderungen gerecht zu werden, bilden in besonders zweckmäßiger Ausgestaltung die berippten Kühlrohre Bestandteile eines in ein Gehäuse mit Kühlmittelanschlüssen eingegliederten Wärmetauschereinsatzes mit einem Wärmetauscherpaket.
Ferner ist es in diesem Zusammenhang von Vorteil, dass sich die Kühlrippen über den gesamten Querschnitt eines Wärmetauscherpakets erstrecken. Mit anderen Worten reichen die Kühlrippen von Kühlrohr zu Kühlrohr bzw. die Kühlrohre durchsetzen eine Reihe von gestapelt angeordneten Blechen, welche die Kühlrippen des Wärmetauscherpakets bilden.
Der Einsatz von Kühlrippen in Wärmetauschern in Form von Abgasrückkühlern ist jedoch insbesondere bei sehr dünnen und nahe beieinander liegenden Kühlrippen nicht unproblematisch, da das Abgas mit Schadstoffpartikeln beladen ist, die sich an den Kühlrippen festsetzen und so die Strömung und den Wärmetausch behindern können. Andererseits ist ein kompakt bauender Abgasrückkühler ohne Vergrößerung der Wärmetauscherfläche auf der Abgasseite kaum realisierbar, insbesondere wenn sehr große Abgasmengen gekühlt werden sollen. Daher wird es im Rahmen der Erfindung als besonders vorteilhaft angesehen, wenn der Wärmetauscher mit einem zerstörungsfrei austauschbaren Wärmetauschereinsatz versehen ist, um den Wärmetauschereinsatz turnusgemäß auswechseln oder aber reinigen zu können.
Ein weiterer wesentlicher Aspekt der Erfindung ist, dass zwischen dem Wärmetauschereinsatz und dem Gehäuse Führungskanäle zur Überleitung des Kühlmittels von und zu den Kühlrohren gebildet sind. Das heißt, dass das Kühlmittel im Bereich der Führungskanäle unmittelbar in Kontakt mit dem Gehäuse steht und somit das Gehäuse, welches die Außenhaut des Wärmetauschers bildet, kühlt. Damit wird auch bei sehr großem Wärmeeintrag eine Überhitzung des Gehäuses verhindert.
Da das Gehäuse grundsätzlich nicht ausgetauscht wird, kann zumindest ein Teil des Gehäuses in bevorzugter Anwendung auch von einem Motorblock bzw. einer Motorkomponente, wie z.B. einem Gehäuse eines Ladeluftkühlers, gebildet werden. Eine zweite Gehäusehälfte, die z.B. auf dem Gehäuseabschnitt des Motorblocks befestigt wird, dient gewissermaßen als Deckel. Ein zusätzlicher Wärmeeintrag über den Motorblock oder über eine andere als Gehäuseabschnitt dienende Motorkomponente in die Wärmetauscherpakete erfolgt nur minimal, da zwischen dem Wärmetauscherpaket und dem Gehäuse die Führungskanäle verlaufen, durch welche das Kühlmittel geleitet wird.
Der erfindungsgemäße Wärmetauscher basiert somit auf einem sehr kompakt bauenden, quasi doppelwandigen Gehäusekonzept mit vorzugsweise auswechselbarem Wärmetauschereinsatz hoher Effektivität.
In vorteilhafter Ausgestaltung weist der Wärmetauschereinsatz zwei geschlossene Seitenwände und zwei gelochte Seitenwände auf, wobei die Kühlrohre in den gelochten Seitenwänden befestigt sind. Der Wärmetauschereinsatz bildet quasi das Innengehäuse, das sich innerhalb des außen angeordneten Gehäuses befindet. Das Innengehäuse bzw. der Wärmetauschereinsatz wird von dem Außengehäuse zumindest im Bereich der Wärmetauscherpakete umschlossen. Vorzugsweise besitzt das Gehäuse einen rechteckigen Querschnitt. Der Wärmetauschereinsatz besitzt ebenfalls einen rechteckigen Querschnitt, so dass sich Führungskanäle im Wesentlichen gleich bleibender Dicke bzw. gleich bleibender Querschnittsfläche, insbesondere im Bereich der geschlossenen Seitenwände, aber auch im Bereich der gelochten Seitenwände, ergeben.
Zweckmäßig sind die Führungskanäle als Spalte zwischen dem Gehäuse und den Seitenwänden ausgebildet.
Um den Kühlmittelstrom zur Kühlmitteleintrittsseite eines Wärmetauscherpakets zu leiten, erstrecken sich zwischen dem Gehäuse und den Seitenwänden des Wärmetauschereinsatzes Stege, die entweder an dem Gehäuse oder aber an dem Wärmetauschereinsatz ausgebildet sind. Durch geschickte Strömungsführung ist es möglich, mehrere Wärmetauscherpakete hintereinander zu schalten, wobei die einzelnen Wärmetauscherpakete nicht mittels Kühlrohren miteinander verbunden sind. Vielmehr strömt das Kühlmittel aus der Kühlmittelaustrittsseite eines ersten Wärmetauscherpakets und tritt dank Überleitung mittels der Führungskanäle in die Kühlmitteleintrittsseite eines weiteren Wärmetauscherpakets ein. Die Kühlmitteleintrittsseite und die Kühlmittelaustrittsseite einander benachbarter Wärmetauscherpakete liegen dabei insbesondere auf einander gegenüberliegenden Seiten des Wärmetauschereinsatzes, so dass das Kühlmittel einen relativ langen Weg von der Kühlmittelaustrittsseite eines ersten Wärmetauscherpakets zur Kühlmitteleintrittsseite eines weiteren Wärmetauscherpakets zurücklegen muss. Das ist gewollt, damit das Gehäuse hinreichend gekühlt wird. Bei dieser Art der Kühlmittelführung werden die Kühlrohre aller Wärmetauscherpakete gleichsinnig durchströmt. Selbstverständlich ist es im Rahmen der Erfindung auch nicht ausgeschlossen, dass die Kühlrohre unmittelbar aufeinanderfolgender Wärmetauscherpakete gegensinnig durchströmt werden. In diesem Fall wird das Kühlmittel gewissermaßen mäanderförmig durch den Wärmetauschereinsatz geleitet.
In vorteilhafter Ausgestaltung des Erfindungsgedankens weist der Wärmetauschereinsatz an einem 1. Ende einen Zuströmbereich für das heiße Gas und an dem anderen 2. Ende einen Abströmbereich für gekühltes Gas auf. Die Zu- und Abströmbereiche des Wärmetauschereinsatzes sind insbesondere konisch gestaltet. Diese Zu- und Abström bereiche bilden zusammen mit den Wärmetauscherpaketen den Wärmetauschereinsatz, der gewissermaßen als Quader mit kappenartigen konischen Zu- und Abströmbereichen als vorgefertigte Baueinheit in das Gehäuse eingesetzt werden kann. Wie ein Mantel umschließt das Gehäuse des Wärmetauschers diesen Wärmetauschereinsatz mit seinen Zu- und Abströmbereichen. Die Führungskanäle für das Kühlmittel erstrecken sich auch in die konisch gestalteten Zu- und Abströmbereiche des Wärmetauschereinsatzes, so dass auch in diesen Bereichen keine Überhitzung des Gehäuses erfolgt.
Es wird herstellungstechnisch als vorteilhaft angesehen, dass sowohl der Kühlmittelanschluss im Abströmbereich des gekühlten Gases als auch der Kühlmittelanschluss im Zuströmbereich des heißen Gases stutzenförmig ausgebildet sind.
Da der Kühlmittelzulauf im Abströmbereich und der Kühlmittelablauf im Zuströmbereich des Gases angeordnet ist, erfolgt der Wärmetausch zwischen dem Gas und dem Kühlmittel im Kreuz-Gegenstrom. Der Kühlmittelzulauf und der Kühlmittelablauf sind insbesondere als einander gegenüberliegend angeordnete Stutzen an den jeweiligen Enden des Gehäuses ausgebildet.
Im Hinblick auf die Aggressivität der Gase ist es vorteilhaft, dass der Wärmetauschereinsatz aus Edelstahl besteht.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen veranschaulichten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt: Figur 1 einen Wärmetauscher in Form eines Abgasrückkühlers in schematischer perspektivischer Darstellung;
Figur 2 einen vertikalen Längsschnitt durch den Abgasrückkühler der
Figur 1 ;
Figur 3 einen vertikalen Querschnitt durch die Figur 2 entlang der Linie III
- IM in Richtung der Pfeile IHa gesehen und
Figur 4 in der Draufsicht eine Kühlrippe zur Aufnahme von Kühlrohren.
In den Figuren 1 bis 3 ist mit 1 ein Abgasrückkühler für eine ansonsten nicht näher veranschaulichte große Verbrennungskraftmaschine bezeichnet, wie sie zum Beispiel auf einem Schiff zum Einsatz kommen kann. In dem Abgasrückkühler 1 ist ein aus der Verbrennungskraftmaschine tretendes heißes Abgas AG in einen indirekten Wärmetausch mit einem Kühlmittel KM in Form von Kühlwasser gestellt.
Der Abgasrückkühler 1 weist einen im Querschnitt rechteckigen Wärmetauschereinsatz 2 mit einem konischen Zuströmbereich 3 für heißes Abgas AG an einem 1. Ende 4 auf. Der Zuströmbereich 3 folgt auf einen Zuströmstutzen 5 für das heiße Abgas AG. Am anderen 2. Ende 6 des Abgasrückkühlers 1 befindet sich ein konischer Abströmbereich 7 des Wärmetauschereinsatzes 2 für gekühltes Abgas AG. Dieser Abströmbereich 7 geht in einen zylindrischen Ableitungsstutzen 8 für gekühltes Abgas AG über.
Der Wärmetauschereinsatz 2 weist zwei einander gegenüberliegende geschlossene Seitenwände 9 und zwei um 90° zu diesen Seitenwänden 9 versetzte gelochte Seitenwände 10 auf (Figur 3). Der Wärmetauschereinsatz 2 weist drei in Strömungsrichtung des Abgases AG aufeinanderfolgende Wärmetauscherpakete 11 , 12, 13 auf. Diese setzen sich aus einer Anzahl von quer zur Strömungsrichtung des Abgases AG erstreckenden Kühlrohren 14 und von den Kühlrohren 14 durchsetzten Kühlrippen 15 in Form von Blechen (Figuren 2 bis 4) zusammen. Der Wärmetauschereinsatz 2 wird von einem Gehäuse 16 umschlossen, das einen konischen ersten Endbereich 17, einen konischen zweiten Endbereich 18 und zwischen den Endbereichen 17, 18 vier Seitenwände 19, 20 umfasst, die rechtwinklig einander zugeordnet sind.
Auf Grund der konischen Zuström- und Abströmbereiche 3, 7 des Wärmetauschereinsatzes 2 und der konischen Endbereiche 17, 18 des Gehäuses 16 werden an den 1. und 2. Enden 4, 6 des Abgasrückkühlers 1 konische Ringspalte 24, 25 gebildet.
Zwischen den gelochten Seitenwänden 10 des Wärmetauschereinsatzes 2 und den dazu parallelen Seitenwänden 19 des Gehäuses 16 werden Eintrittskammern 21 auf einer Kühlmitteleintrittsseite 34 und Austrittskammern 22 auf einer Kühlmittelaustrittsseite 35 für Kühlmittel KM gebildet, wobei die Eintrittskammern 21 und Austrittskammern 22 jedes Wärmetauscherpakets 11 , 12, 13 von den Eintrittskammern 21 und Austrittskammern 22 des benachbarten Wärmetauscherpakets 11 , 12, 13 durch Stege 23 wasserdicht getrennt sind.
Die Eintrittskammer 21 des Wärmetauscherpakets 11 ist mit dem Ringspalt 25 und die Austrittskammer 22 des Wärmetauscherpakets 13 mit dem Ringspalt 24 verbunden. Der Ringspalt 25 ist an einen stutzenförmigen Kühlmittelanschluss 26 für den Zulauf des Kühlmittels KM und der Ringspalt 24 an einen stutzenförmigen Kühlmittelanschluss 27 für den Ablauf des erwärmten Kühlmittels KM angeschlossen.
Neben den geschlossenen Seitenwänden 9 des Wärmetauschereinsatzes 2 und den benachbarten Seitenwänden 20 des Gehäuses 16 (siehe insbesondere Figur 3) erstrecken sich schräg verlaufende Führungskanäle 28 zur nachfolgend noch näher erläuterten Überleitung des Kühlmittels KM vom Kühlmittelanschluss 26 über die Wärmetauscherpakete 11 , 12, 13 zum Kühlmittelanschluss 27. Das Kühlmittel KM gelangt vom Kühlmittelanschluss 26 im Abströmbereich 7 des gekühlten Abgases AG in den konischen Ringspalt 25 zwischen dem Wärmetauschereinsatz 2 und dem Gehäuse 16 am 2. Ende 6. Von hier aus gelangt das Kühlmittel KM über die beiden seitlichen Führungskanäle 28 in die Eintrittskammer 21 des dem Abströmbereich 7 benachbarten Wärmetauscherpakets 11. Von der Eintrittskammer 21 aus durchströmt das Kühlmittel KM die Kühlrohre 14 des Wärmetauscherpakets 11 und gelangt in dessen Austrittskammer 22. Von hier aus strömt das Kühlmittel KM durch die seitlichen schrägen Führungskanäle 28 zu der Eintrittskammer 21 des angrenzenden Wärmetauscherpakets 12, von hier aus durch die Kühlrohre 14 dieses Wärmetauscherpakets 12 zu seiner Austrittskammer 22 und aus dieser Austrittskammer 22 über die schräg verlaufenden seitlichen Führungskanäle 28 in die Eintrittskammer 21 des dem Zuströmbereich 3 benachbarten Wärmetauscherpakets 13. Das Kühlmittel KM strömt auch hier durch die Kühlrohre 14 zur Austrittskammer 22 dieses Wärmetauscherpakets 13 und gelangt dann von der Austrittskammer 22 über die schräg verlaufenden seitlichen Führungskanäle 28 in den konischen Ringspalt 24 zwischen dem konischen Zuströmbereich 3 des Wärmetauschereinsatzes 2 und dem ebenfalls konischen Endbereich 17 des Gehäuses 16 und tritt dann im erwärmten Zustand aus diesem konischen Ringspalt 24 über den Kühlmittelanschluss 27 am 1. Ende 4 aus.
Die Kühlrippen 15 umfangsseitig der Kühlrohre 14 bestehen, wie bereits angedeutet, aus mit Löchern 29 versehenen Blechen (Figur 4), die sich über den gesamten Querschnitt eines Wärmetauscherpakets 11 , 12, 13 erstrecken. Umfangsseitig der Löcher 29 zur Aufnahme der Kühlrohre 14 sind aus den Ebenen der Kühlrippen 15 muldenartig geprägte Turbulatoren 30 vorgesehen. Die Turbulatoren 30 sind in eine Richtung aus den Kühlrippen 15 geprägt.
Die Turbulatoren 30 sind nierenförmig gestaltet und von ihrer Krümmung her an die Kontur der Löcher 29 beziehungsweise der Kühlrohre 14 angepasst. Es sind jeweils vier Turbulatoren 30 umfangsseitig eines Lochs 29 in einer Kühlrippe 15 vorgesehen. Die benachbart einer durch die Achsen 31 von in Strömungsrichtung des Abgases AG hintereinander liegenden Löchern 29 gelegten Längsebene LE befindlichen 1. Enden 32 der Turbulatoren 30 weisen einen kleineren Radius als die anderen 2. Enden 33 auf. Der Winkel α zwischen einer die Achse 31 eines Lochs 29 einer Kühlrippe 15 und das benachbart der Längsebene LE liegende 1. Ende 32 eines Turbulators 30 schneidenden Ebene E zur Längsebene LE beträgt etwa 15°. Die Turbulatoren 30 erstrecken sich über einen Winkel ß von etwa 50° bis 60° umfangsseitig eines Lochs 29.
Das Gehäuse 16 ist in der horizontalen Mittellängsebene geteilt ausgebildet, so dass der Wärmetauschereinsatz 2 im Gehäuse 16 austauschbar angeordnet ist. Der Wärmetauschereinsatz 2 sowie die Wärmetauscherpakete 11 , 12, 13 bestehen aus Edelstahl.
Bezuqszeichen:
1 - Abgasrückkühler
2 - Wärmetauschereinsatz
3 - Zuströmbereich 4- 1. Endev.2
5 - Zuströmstutzen
6 - 2. Ende v.2
7 - Abströmbereich
8 - Ableitungsstutzen
9 - geschlossene Seitenwände
10 - gelochte Seitenwände .
11 - Wärmetauscherpaket 12- Wärmetauscherpaket 13 - Wärmetauscherpaket
14- Kühlrohre
15- Kühlrippen
16- Gehäuse
17- Endbereich
18- Endbereich
19- Seitenwand
20 - Seitenwand
21 - Eintrittskammer
22 - Austrittskammer
23- Stege
24- Ringspalt
25- Ringspalt
26- Kühlmittelanschluss 27 - Kühlmittelanschluss
28- Führungskanäle
29- Löcher
30 - Turbulatoren
31 - Achsen 32- I. Ende v.30
33- 2. Ende v.30
34 - Kühlmitteleintrittsseite
35 - Kühlmittelaustrittsseite
AG- Gas
E - Ebene
LE - Längsebene
KM- Kühlmittel
STR - Strömungsrichtung v. AG α - Winkel ß- Winkel

Claims

Patentansprüche
1. Wärmetauscher mit von einem Gas (AG) quer angeströmten und von einem Kühlmittel (KM) durchströmten, außenseitig berippten Kühlrohren (14), wobei die Kühlrippen (15) mit Turbulatoren (30) versehen sind, d a d u rc h g e ke n n ze i c h n et, dass die Turbulatoren (30) muldenartig ausgebildet und umfangsseitig der Kühlrohre (14) aus den Ebenen der Kühlrippen (15) geprägt sind.
2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbulatoren (30) in eine Richtung aus den Kühlrippen (15) geprägt sind.
3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dad u rch gekennzeich net, dass die Turbulatoren (30) nierenförmig gestaltet und jeweils vier Turbulatoren (30) umfangsseitig eines Kühlrohrs (14) vorgesehen sind.
4. Wärmetauscher nach Anspruch 3 d ad u rch geken nzeichnet, dass die benachbart einer durch die Achsen (31) von in Strömungsrichtung (STR) des Gases (AG) hintereinander liegenden Kühlrohren (14) gelegten Längsebene (LE) befindlichen 1. Enden (32) der Turbulatoren (30) einen kleineren Radius als die anderen 2. Enden (33) aufweisen.
5. Wärmetauscher nach Anspruch 4, dad u rch geken nzeichnet, dass der Winkel (α) zwischen einer die Achse (31) eines Kühlrohrs (14) und das benachbart der Längsebene (LE) liegende 1. Ende (32) eines Turbulators (30) schneidenden Ebene (E) zur Längsebene (LE) etwa 15° beträgt.
6. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dad u rch gekennzeich net, dass die Turbulatoren (30) sich über einen Winkel (ß) von etwa 50° bis 60° umfangsseitig eines Kühlrohrs (14) erstrecken.
7. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dad u rch gekennzeich net, dass die Kühlrippen (15) aus von den Kühlrohren (14) durchsetzten Blechen bestehen.
8. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadu rch gekennzeich net, dass die berippten Kühlrohre (14) Bestandteile eines in ein Gehäuse (16) mit Kühlmittelanschlüssen (26, 27) eingegliederten Wärmetauschereinsatzes (2) mit einem Wärmetauscherpaket (11,12,13) bilden.
9. Wärmetauscher nach Anspruch 8, dadu rch geken nzeichnet, dass sich die Kühlrippen (15) über den gesamten Querschnitt eines Wärmetauscherpakets (11, 12, 13) erstrecken.
10. Wärmetauscher nach Anspruch 8 oder 9, dad u rch gekennzeich net, dass der Wärmetauschereinsatz (2) zerstörungsfrei austauschbar ist.
11. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadu rch gekennzeich net, dass zwischen dem Wärmetauschereinsatz (2) und dem Gehäuse (16) Führungskanäle (28) zur Überleitung des Kühlmittels (KM) von und zu den Kühlrohren (14) gebildet sind.
12. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauschereinsatz (2) zwei geschlossene Seitenwände (9) und zwei gelochte Seitenwände (10) aufweist, wobei die Kühlrohre (14) in den gelochten Seitenwänden (10) befestigt sind.
13. Wärmetauscher nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungskanäle (28) als Spalte zwischen dem Gehäuse (16) und den Seitenwänden (9, 10) des Wärmetauschereinsatzes (2) ausgebildet sind.
14. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass am Gehäuse (16) nach innen gerichtete Stege (23) zur Begrenzung der Führungskanäle (28) ausgebildet sind.
15. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauschereinsatz (2) nach außen gerichtete Stege zur Begrenzung der Führungskanäle (28) aufweist.
16. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauschereinsatz (2) mehrere in Strömungsrichtung (STR) des Gases (AG) hintereinander geschaltete Wärmetauscherpakete (11 , 12, 13) umfasst.
17. Wärmetauscher nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass aus einem ersten Wärmetauscherpaket (11 , 12) strömendes Kühlmittel (KM) durch Führungskanäle (28) in ein nachgeschaltetes Wärmetauscherpaket (12, 13) eintritt.
18. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege (23) im Bereich der geschlossenen Seitenwände (9) schräg verlaufen, so dass schräg verlaufende Führungskanäle (28) zur Überleitung des Kühlmittels (KM) zu einer Kühlmitteleintrittsseite (34) und von einer Kühlmittelaustrittsseite (35) eines Wärmetauscherpakets (11 , 12, 13) entlang der geschlossenen Seitenwände (9) ausgebildet sind.
19. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlrohre (14) aller Wärmetauscherpakete (11 , 12, 13) vom Kühlmittel (KM) gleichsinnig durchströmt sind.
20. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlrohre (14) unmittelbar aufeinander folgender Wärmetauscherpakete (11 , 12, 13) vom Kühlmittel (KM) gegensinnig durchströmt sind.
21. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 8 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauschereinsatz (2) an einem 1. Ende (4) einen Zuströmbereich (3) für das heiße Gas (AG) und an dem anderen 2. Ende (6) einen Abströmbereich (7) für gekühltes Gas (AG) aufweist.
22. Wärmetauscher nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Zu- und Abströmbereiche (3, 7) des Wärmetauschereinsatzes (2) konisch gestaltet sind.
23. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 8 bis 22, dadu rch geken nzeichnet, dass sowohl der Kühlmittelanschluss (26) im Abströmbereich (7) des gekühlten Gases (AG) als auch der Kühlmittelanschluss (27) im Zuströmbereich (3) des heißen Gases (AG) stutzenförmig ausgebildet sind.
24. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 8 bis 23, dadurch geken nzeichnet, dass der Wärmetauschereinsatz (2) aus Edelstahl besteht.
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