WO2013120996A1 - Verdampfer, insbesondere für eine abgaswärmenutzungseinrichtung - Google Patents

Verdampfer, insbesondere für eine abgaswärmenutzungseinrichtung Download PDF

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WO2013120996A1
WO2013120996A1 PCT/EP2013/053079 EP2013053079W WO2013120996A1 WO 2013120996 A1 WO2013120996 A1 WO 2013120996A1 EP 2013053079 W EP2013053079 W EP 2013053079W WO 2013120996 A1 WO2013120996 A1 WO 2013120996A1
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evaporation
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fluid
rib
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Stefan Geser
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Eberspächer Climate Control Systems GmbH & Co. KG
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    • F28D2021/0061—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for for phase-change applications
    • F28D2021/0064—Vaporizers, e.g. evaporators

Definitions

  • the present invention relates to an evaporator, in particular for a waste heat utilization device.
  • waste heat recovery devices which are based on the principle of a Rankine cycle process or a Rankine-Clausius cycle
  • evaporators are used, with the aid of the working medium of the cycle can be evaporated, the heat required for this is taken from the exhaust gas of an internal combustion engine. Accordingly, such an evaporator contains on the one hand a gas path for the exhaust gas and on the other hand an evaporation path for the working medium to be evaporated.
  • Such an evaporator may for example be designed as a plate heat exchanger and accordingly have a plurality of channel plate assemblies which are stacked in a stacking direction, wherein in each case between two adjacent channel plate assemblies, a gas path is formed through which a gas is feasible, via which the heat required for the evaporation of the liquid supplied is.
  • the respective channel plate arrangement may expediently contain a liquid inlet, a steam outlet and a channel connecting the liquid inlet to the steam outlet, which channel forms for example a multiply deflected evaporation path for the liquid to be evaporated.
  • the present invention is concerned with the problem of providing an improved embodiment for an evaporator of the type mentioned at the beginning or for a waste heat utilization device equipped therewith.
  • the above-mentioned problem is solved by a device according to independent claim 1.
  • Preferred embodiments are subject of the dependent claims.
  • the evaporator of the present invention comprises a plurality of evaporation devices for flowing with a fluid which are stacked on each other in a stacking direction, and a plurality of rib structures formed for flowing with a gas in a gas flow direction.
  • Each evaporation device in this case has a pair of plates with a first and a second evaporator plate, wherein the first and second evaporator plate, which are complementary to each other, on a respective inner side have a meandering formed evaporation channel.
  • the inner sides of the first and the second evaporator plate are in an assembled state outside of the evaporation channel to each other flat, with adjacent plate pairs are supported in each case with its outer side on such a rib structure.
  • a preferred measure of a thickness of the first and second evaporator plates may preferably be between 0.2 mm and 0.5 mm, most preferably about 0.4 mm.
  • the rib structure is sandwiched between two adjacent plate pairs. This allows the production of a mechanically particularly stable, but also very compact evaporator.
  • the gas flow direction is orthogonal to the stacking direction. In this way, the provision of a high number of rib structures can be combined with a nevertheless very compact construction.
  • the evaporation channel has a plurality of main flow sections extending in an orthogonal direction with respect to both the stacking direction and the gas flow direction, adjacent main flow sections fluidly communicating with each other by connecting sections extending in the gas flow direction are connected.
  • the evaporation channel is essentially flat in the flow-through cross section for the purpose of a very compact construction.
  • flat is meant that in the flow-through cross section, an effective width of the evaporation channel is substantially greater than a height of the evaporation channel, which is defined by a direction orthogonal to a fixed plane through the evaporator plates.
  • the width of the evaporation channel can be in particular four times, Six times, eight times or ten times the height amount.
  • such a flat configuration of the evaporation channel causes a pronounced interaction of the gas flowing through the rib structures with the fluid flowing through the evaporation devices, which promotes its evaporation.
  • the rib structure comprises a plurality of with respect to the gas flow direction side by side and corrugated, in particular rectangular wavy, arranged rib rows.
  • each row of ribs consists of alternately successive protrusions and depressions, which are each connected to one another via webs, with respect to the gas flow direction adjacent rows of ribs with respect to the position of elevations and depressions arranged offset from each other. In this way, a particularly space-saving technical realization of the rib structures is possible.
  • each vaporizing device has an inlet region with an inlet opening and an outlet region with an outlet opening for introducing or discharging the fluid, wherein in an installed state of the vaporizer adjacent inlet openings are in fluid communication with each other and adjacent outlet openings are in fluid communication with each other stand.
  • the inlet opening and the outlet opening are in each case as on the outside of the first and the second evaporation erplatte provided inlet dome or outlet dome formed. In spite of such a space-saving design, this ensures a high flow cross-section of the inlet and outlet openings for the fluid flowing through the evaporation devices.
  • the inlet dome or outlet dome each have a substantially annular top surface.
  • a top surface By means of such a top surface, adjacent evaporator plates can be fastened to one another in a simple manner, in particular by soldering.
  • the inlet dome or the outlet dome taper in each case in the direction of the adjacent evaporation devices conically.
  • the evaporator may have a fluid inlet opening and a fluid outlet opening which are respectively fluidly connected to the inlet openings and outlet openings of the evaporation apparatuses, respectively Fluid inlet opening and the fluid outlet opening are arranged in the direction of the gas flow direction.
  • the evaporator may further comprise a funnel-like supply line for supplying the gas into the rib structures and / or a funnel-shaped discharge for discharging the gas from the rib structures.
  • the evaporator comprises a housing for the fluidic limitation of a gas path the gas flowing through the plurality of rib structures.
  • a separate provision of an outer fluidic boundary of the rib structures is not required, which reduces the total number of components required for the evaporator.
  • the rows of ribs may be made of steel, preferably stainless steel.
  • 1 shows an evaporator according to the invention in an isometric view
  • 2 shows an evaporation device of the evaporator in an unassembled state in an isometric view
  • FIG. 3 shows a plurality of evaporation devices of the evaporator in an assembled state in a partial isometric view
  • Fig. 7 shows the mounted evaporator according to the invention in an isometric
  • an evaporator according to the invention which may preferably be constructed in a cross flow countermeasure, is designated by 1.
  • the various components of the evaporator 1 are shown spaced from each other to improve their representability.
  • the evaporator 1 includes a plurality of evaporation devices 2 for flowing through a fluid which are stacked on each other in a stacking direction S, and a plurality of rib structures 3 formed for flowing with a gas in a gas flow direction G.
  • the gas flow direction G is orthogonal to the stacking direction S.
  • Each evaporation device 2 in this case has a pair of plates 4 with a first and a second evaporator plate 5, 6.
  • Such a plate pair 4 with a first and a second evaporator plate 5, 6 is shown by way of example in an unassembled state in FIG.
  • the first and second evaporator plates 5, 6 are designed to be complementary to one another and have a meandering evaporation channel 9 on a respective inner side 7, 8. In a mounted state, not shown in FIG. 2, the inner sides 7, 8 of the first and the second evaporator plates lie flat against one another in a region outside the evaporation duct 9.
  • the evaporation channel 9 may have a plurality of main flow sections 10 which extend in an orthogonal direction O in both the stacking direction S and the gas flow direction G. Adjacent main flow sections 10 can each be fluidically connected to one another by means of connecting sections 11 extending in the gas flow direction G.
  • the evaporation channel 9 may be formed substantially flat.
  • flat is meant that with respect to a flow-through cross-section, an effective width B of the evaporation channel is substantially greater than a height H of the evaporation channel 9, which is defined by a direction orthogonal to a plane fixed by the evaporator plates.
  • This is shown schematically in a sketch supplementing the figure 2 with the reference numeral 40.
  • This sketch shows a flow-through cross section of the evaporation channel 9.
  • the width B of the evaporation channel 9 can be in particular alternative variants in particular four times, six times, eight times or ten times the height H. In this way, a high cross-sectional area can be combined with a high effective interaction area (between fluid and gas) and a compact design.
  • Each evaporation device 2 may each have an inlet region 12 with an inlet opening 14 and an outlet region 13 with an outlet opening 15 for the admission or discharge of a fluid.
  • Adjacent inlet openings 14 may be in fluid communication with each other in a mounted state of the evaporation devices 2, and correspondingly, adjacent outlet openings 15 may be in fluid communication with each other. This is particularly clear from the illustration of Figure 3, which shows a plurality of plate pairs 4 with a plurality of inlet openings 14 in an assembled state.
  • Both the inlet opening 14 and the outlet opening 15 can each be designed as an inlet dome 18 or outlet dome 19 provided on an outer side 16, 17 of the first and second evaporator plate 5, 6.
  • FIG. 4 shows an example of such an inlet dome 18 in a side view.
  • Both the inlet dome 18 and the outlet dome may preferably taper conically toward the adjacent vaporization devices, respectively.
  • a taper angle ⁇ can be approximately between 40 ° and 60 °, preferably approximately 50 °.
  • the inlet dome 18 and the outlet dome 19 can each have a cover surface 20, 21 which is substantially annular. In this way, a particularly good soldering of adjacent inlet or outlet domes 18, 19, for example by means of a Ni-base solder possible.
  • FIG. 5 shows a rib structure 3 according to the invention.
  • the rib structure 3 in this case comprises a plurality of with respect to the gas flow direction G side by side and arranged rectangular wavy Rib rows 22.
  • the rib rows 22 may be made of steel, preferably stainless steel.
  • Each rib row 22 consists of alternately successively following elevations 23 and countersinks 24, which are connected to each other via webs 25. Adjacent rib rows 22 are offset relative to one another in relation to the position of elevations 23 and countersinks 24. In this way, an improved thermal interaction of the rib structures 3 with the evaporation devices 2 can be achieved.
  • each fin structure 3 is sandwiched between two adjacent plate pairs 4.
  • adjacent plate pairs 4 are each supported by their outer side 16, 17 (see FIG. 2) on a ribbed structure 3.
  • the evaporator 1 may now further include a housing 26 for fluidically limiting a gas path of the gas flowing through the plurality of fin structures 3.
  • a separate provision of an outer fluidic boundary of the rib structures 3 is not required.
  • the evaporator 1 can furthermore have a funnel-like feed line 27 (see FIG. 1) for feeding the gas into the rib structures 3 and a funnel-shaped discharge line 28 for removing the gas from the rib structures 3. It is clear that in variants, other geometries with respect to the formation of the feed line 27 and the discharge line 28 are conceivable.
  • FIG. 6 shows a vaporizer 1 according to the invention in a longitudinal sectional view. From this representation, it can be seen that the evaporator 1 has a fluid inlet opening 29 and a fluid outlet opening 30. which are respectively fluidly connected to the inlet openings 14 and outlet openings 15 of the evaporation devices 2.
  • the fluid inlet opening 29 and the fluid outlet opening 30 are preferably arranged in the direction of the gas flow direction G.
  • a gas stream in particular an exhaust gas, is indicated by arrows 31.
  • FIG. 7 shows an evaporator 1 in a mounted state in a perspective view.
  • a hot gas in particular an exhaust gas, for example from an internal combustion engine of a motor vehicle, can enter the rib structures 3 of the evaporation devices 2 in the direction of the gas flow throughflow direction G and strikes the rib rows 22. Since adjacent plate pairs each are adjacent to the rib structures 3 4 of the evaporation device 2, a high thermal interaction of the rib structures 3 with the evaporation devices 2 is ensured. Consequently, a high thermal interaction of a gas flowing through the rib structures 3 can also take place with a fluid flowing through the evaporation channels 9 of the evaporation devices 2. By means of such a thermal interaction, the hot gas can be cooled in a very effective manner before exiting the rib structures 3, with evaporation of the fluid flowing through the evaporation devices 2.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Verdampfer (1) für eine Abwärmenutzungsvorrichtung, umfassend eine Mehrzahl von Verdampfungsvorrichtungen (2) zur Durchströmung mit einem Fluid, welche in einer Stapelrichtung (S) stapelartig aufeinander angeordnet sind, und eine Mehrzahl von Rippenstrukturen (3), welche für die Durchströmung mit einem Gas in eine Gas-Durchströmungsrichtung (G) ausgebildet sind. Jede Verdampfungsvorrichtung (2) weist ein Plattenpaar (4) mit einer ersten und einer zweiten Verdampferplatte (5, 6) auf, wobei die erste und zweite Verdampferplatte (5, 6), welche komplementär zueinander ausgebildet sind, an einer jeweiligen Innenseite (7, 8) einen mäanderartig ausgebildeten Verdampfungskanal (9) aufweisen. Die Innenseiten (7, 8) der ersten und der zweiten Verdampferplatte (5, 6) liegen in einem montierten Zustand außerhalb des Verdampfungskanals (9) flächig aneinander an, wobei benachbarte Plattenpaare (4) sich jeweils mit ihrer Außenseite (16, 17) an einer Rippenstruktur (3) abstützen.

Description

Verdampfer, insbesondere für eine Abgaswärmenutzungseinrichtung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verdampfer, insbesondere für eine Abwärmenutzungsvorrichtung.
Bei Abwärmenutzungsvorrichtungen, die auf dem Prinzip eines Rankine- Kreisprozesses oder eines Rankine-Clausius-Kreisprozesses beruhen, kommen Verdampfer zum Einsatz, mit deren Hilfe das Arbeitsmedium des Kreisprozesses verdampft werden kann, wobei die hierfür benötigte Wärme dem Abgas einer Brennkraftmaschine entnommen wird. Dementsprechend enthält ein derartiger Verdampfer einerseits einen Gaspfad für das Abgas und andererseits einen Verdampfungspfad für das zu verdampfende Arbeitsmedium.
Ein derartiger Verdampfer kann beispielsweise als Plattenwärmetauscher ausgestaltet sein und dementsprechend mehrere Kanalplattenanordnungen aufweisen, die in einer Stapelrichtung gestapelt sind, wobei jeweils zwischen zwei benachbarten Kanalplattenanordnungen ein Gaspfad ausgebildet ist, durch den ein Gas führbar ist, über das die zum Verdampfen der Flüssigkeit benötigte Wärme zuführbar ist. Die jeweilige Kanalplattenanordnung kann dabei zweckmäßig einen Flüssigkeitseinlass, einen Dampfauslass und einen den Flüssigkeitseinlass mit dem Dampfauslass verbindenden Kanal enthalten, der beispielsweise einen mehrfach umgelenkten Verdampfungspfad für die zu verdampfende Flüssigkeit bildet.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für einen Verdampfer der eingangs genannten Art bzw. für eine damit ausgestattete Abwärmenutzungsvorrichtung eine verbesserte Ausführungsform anzugeben. Oben genanntes Problem wird gelöst durch eine Vorrichtung gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 . Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Der erfindungsgemäße Verdampfer umfasst eine Mehrzahl von Verdampfungsvorrichtungen zur Durchströmung mit einem Fluid, welche in einer Stapelrichtung stapelartig aufeinander angeordnet sind, und eine Mehrzahl von Rippenstrukturen, welche für die Durchströmung mit einem Gas in einer Gas- Durchströmungsrichtung ausgebildet sind. Jede Verdampfungsvorrichtung weist dabei ein Plattenpaar mit einer ersten und einer zweiten Verdampferplatte auf, wobei die erste und zweite Verdampferplatte, welche komplementär zueinander ausgebildet sind, an einer jeweiligen Innenseite einen mäanderartig ausgebildeten Verdampfungskanal aufweisen. Die Innenseiten der ersten und der zweiten Verdampferplatte liegen in einem montierten Zustand außerhalb des Verdampfungskanals flächig aneinander an, wobei benachbarte Plattenpaare sich jeweils mit ihrer Außenseite an einer solchen Rippenstruktur abstützen.
Mittels der für die Abstützung benachbarter Plattenpaare bereitgestellten Rippenstrukturen ist es möglich, die Plattenpaare mit einer sehr geringen
Materialstärke herzustellen und dabei dennoch eine erforderliche mechanische Stabilität des erfindungsgemäßen Verdampfers, insbesondere im Hinblick auf dessen mechanische Steifigkeit, sicherzustellen. Gleichzeitig kann durch die geringe Materialstärke der Plattenpaare eine besonders hohe thermische Wechselwirkung zwischen den von einem Gas durchströmten Rippenstrukturen und den mit einem Fluid durchströmten Verdampfungsvorrichtungen erzielt werden.
Ein bevorzugtes Maß für eine Dicke der ersten und zweiten Verdampferplatte kann vorzugsweise zwischen 0,2 mm und 0,5 mm höchst vorzugsweise ca. 0,4 mm betragen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die die Rippenstruktur jeweils sandwichartig zwischen zwei benachbarten Plattenpaaren angeordnet. Dies ermöglicht die Herstellung eines mechanisch besonders stabilen, aber auch sehr kompakten Verdampfers.
Vorzugsweise verläuft die Gas-Durchströmungsrichtung orthogonal zu der Stapelrichtung. Auf diese Weise lässt sich die Bereitstellung einer hohen Anzahl an Rippenstrukturen mit einer dennoch sehr kompakten Bauweise verbinden.
In einer weiterbildenden Ausführungsform kann daran gedacht sein, dass der Verdampfungskanal eine Mehrzahl von Hauptströmungsabschnitten aufweist, welche in eine orthogonale Richtung sowohl bezüglich der Stapelrichtung als auch bezüglich der Gas-Durchströmungsrichtung verlaufen, wobei benachbarte Hauptströmungsabschnitte jeweils mittels in der Gas-Durchströmungsrichtung verlaufender Verbindungsabschnitte fluidisch miteinander verbunden sind. Auf diese Weise kann für den Verdampfer hinsichtlich der Durchströmung der Verdampfungsvorrichtungen mit einem Fluid und der Durchströmung der Rippenstrukturen mit Gas ein Kreuzgegenstromprinzip verwirklicht werden, welches eine besonders hohe thermische Wechselwirkung des Gases mit dem Fluid ermöglicht.
In einer ebenfalls weiterbildenden Ausführungsform ist der Verdampfungskanal zum Zwecke einer sehr kompakten Bauweise im durchströmbaren Querschnitt im Wesentlichen flach ausgebildet. Mit "flach" ist dabei gemeint, dass im durchströmbaren Querschnitt eine effektive Breite des Verdampfungskanals wesentlich größer ist als eine Höhe des Verdampfungskanals, welche durch eine Richtung orthogonal zu einer durch die Verdampferplatten festgelegen Ebene definiert ist. Die Breite des Verdampfungskanals kann dabei insbesondere das Vierfache, Sechsfache, Achtfache oder Zehnfache der Höhe betragen. Auch eine derartige flache Ausbildung des Verdampfungskanals bewirkt eine ausgeprägte Wechselwirkung des die Rippenstrukturen durchströmenden Gases mit dem die Verdampfungsvorrichtungen durchströmenden Fluid, was dessen Verdampfung begünstigt.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst die Rippenstruktur eine Mehrzahl von bezüglich der Gas-Strömungsrichtung nebeneinander und gewellt, insbesondere rechteckartig gewellt, angeordneten Rippen-Reihen.
Mittels derartiger Rippen-Reihen kann der Wirkungsgrad der thermischen Wechselwirkung gasseitig weiter erhöht werden.
In einer weiterbildenden Ausführungsform kann daran gedacht sein, dass jede Rippe-Reihe aus alternierend nacheinander folgenden Erhebungen und Senken besteht, welche jeweils über Stege miteinander verbunden sind, wobei bezüglich der Gas-Strömungsrichtung benachbarte Rippen-Reihen in Bezug auf die Position von Erhebungen und Senkungen zueinander versetzt angeordnet sind. Auf diese Weise ist eine besonders platzsparende technische Realisierung der Rippenstrukturen möglich.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist jede Verdampfungsvorrichtung jeweils einen Einlassbereich mit einer Einlassöffnung und einen Auslassbereich mit einer Auslassöffnung auf zum Einlassen bzw. Auslassen des Fluids, wobei in einem montierten Zustand des Verdampfers benachbarte Ein- lassöffnungen miteinander in Fluidverbindung stehen und benachbarte Auslassöffnungen miteinander in Fluidverbindung stehen.
In einer weiterbildenden Ausführungsform sind die Einlassöffnung und die Aus- lassöffnung jeweils als auf der Außenseite der ersten und der zweiten Verdampf- erplatte bereitgestellter Einlass-Dom bzw. Auslass-Dom ausgebildet. Dies stellt trotz einer derartigen platzsparenden Bauweise einen hohen Durchströmungs- querschnitt der Ein- und Auslassöffnung für das die Verdampfungsvorrichtungen durchströmende Fluid sicher.
Vorzugsweise weist der Einlass-Dom bzw. Auslass-Dom jeweils eine im Wesentlichen ringförmig ausgebildete Deckfläche auf. Mittels einer derartigen Deckfläche lassen sich benachbarte Verdampferplatten auf einfache Art und Weise, insbesondere durch Verlöten, aneinander befestigen.
In einer Ausführungsform mit besonders kompakter Bauweise verjüngen sich der Einlass-Dom bzw. der Auslass-Dom jeweils in Richtung der benachbarten Verdampfungsvorrichtungen konisch.
Zum Zwecke einer platzsparenden Zu- bzw. Abführung des Fluids in die Verdampfungsvorrichtungen des Verdampfers kann in einer weiterbildenden Ausführungsform der Verdampfer eine Fluid-Einlassöffnung und eine Fluid- Auslassöffnung aufweisen, welche jeweils mit den Einlassöffnungen bzw. Auslassöffnungen der Verdampfungsvorrichtungen fluidisch verbunden sind, wobei die Fluid-Einlassöffnung und die Fluid-Auslassöffnung in Richtung der Gas- Durchströmungsrichtung angeordnet sind.
Vorzugsweise kann der Verdampfer ferner eine trichterartige ausgebildete Zuleitung zur Zuführung des Gases in die Rippenstrukturen oder/und eine trichterartig ausgebildete Ableitung zur Abführung des Gases aus den Rippenstrukturen aufweisen.
In einer weiterbildenden Ausführungsform kann daran gedacht sein, dass der Verdampfer ein Gehäuse umfasst zur fluidischen Begrenzung eines Gaspfads des durch die Mehrzahl von Rippenstrukturen strömenden Gases. Somit ist eine separate Bereitstellung einer äußeren fluidischen Begrenzung der Rippenstrukturen nicht erforderlich, was die Gesamtzahl der für den Verdampfer benötigten Komponenten reduziert.
In einer besonders einfach herzustellenden Ausführungsform können die erste und zweite Verdampferplatte in einem montierten Zustand jeweils, insbesondere mittels eines Ni-Basis-Lots, miteinander verlötet sein.
Zum Zwecke der Bereitstellung einer besonders stabilen Ausführungsform können die Rippenreihen aus Stahl, vorzugsweise aus Edelstahl, hergestellt sein.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und das der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
Dabei zeigen jeweils schematisch:
Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Verdampfer in einer isometrischen Ansicht, Fig. 2 eine Verdampfungsvorhchtung des Verdampfers in einem nicht montierten Zustand in einer isometrischen Ansicht,
Fig. 3 mehrere Verdampfungsvorrichtungen des Verdampfers in einem montierten Zustand in einer isometrischen Teilansicht,
Fig. 4 einen Einlass-Dom einer Verdampfungsvorrichtung in einer Seitenansicht,
Fig. 5 eine Rippenstruktur des Verdampfers in einer isometrischen Ansicht,
Fig. 6 den Verdampfer gemäß der Figur 1 in einer Längsschnitts-Ansicht,
Fig. 7 den montierten erfindungsgemäßen Verdampfer in einer isometrischen
Ansicht.
In der Figur 1 ist ein erfindungsgemäßer Verdampfer, der vorzugsweise im Kreuzstromgegenprinzip aufgebaut sein kann, mit 1 bezeichnet. In der Darstellung der Figur 1 sind die verschiedenen Komponenten des Verdampfers 1 beabstandet zueinander dargestellt, um deren Darstellbarkeit zu verbessern.
Der Verdampfer 1 umfasst eine Mehrzahl von Verdampfungsvorrichtungen 2 zur Durchströmung durch ein Fluid, welche in einer Stapelrichtung S stapelartig aufeinander angeordnet sind, und eine Mehrzahl von Rippenstrukturen 3, welche für die Durchströmung mit einem Gas in eine Gas-Durchströmungsrichtung G ausgebildet sind. Die Gas-Durchströmungsrichtung G verläuft dabei orthogonal zu der Stapelrichtung S. Jede Verdampfungsvorrichtung 2 weist dabei ein Plattenpaar 4 mit einer ersten und einer zweiten Verdampferplatte 5, 6 auf. In der Figur 2 ist ein solches Plattenpaar 4 mit einer ersten und einer zweiten Verdampferplatte 5, 6 exemplarisch in einem nicht montierten Zustand dargestellt. Die erste und zweite Verdampferplatte 5,6 sind komplementär zueinander ausgebildet und weisen an einer jeweiligen Innenseite 7, 8 einen mäanderartig ausgebildeten Verdampfungskanal 9 auf. In einem in der Figur 2 nicht gezeigten montierten Zustand liegen die Innenseiten 7, 8 der ersten und der zweiten Verdampferplatte in einem Bereich außerhalb des Verdampfungskanals 9 flächig aneinander an.
Der Verdampfungskanal 9 kann eine Mehrzahl von Hauptströmungsabschnitten 10 aufweisen, welche in sowohl bezüglich der Stapelrichtung S als auch bezüglich der Gas-Durchströmungsrichtung G eine orthogonale Richtung O verlaufen. Benachbarte Hauptströmungsabschnitte 10 können jeweils mittels in der Gas- Durchströmungsrichtung G verlaufender Verbindungsabschnitte 1 1 fluidisch miteinander verbunden sein.
Der Verdampfungskanal 9 kann im Wesentlichen flach ausgebildet sein. Mit "flach" ist dabei gemeint, dass bzgl. eines durchströmbaren Querschnitts eine effektive Breite B des Verdampfungskanals wesentlich größer ist als eine Höhe H des Verdampfungskanals 9, welche durch eine Richtung orthogonal zu einer durch die Verdampferplatten festgelegen Ebene definiert ist. Dies ist schematisch in einer die Figur 2 ergänzenden Skizze mit dem Bezugszeichen 40 gezeigt. Diese Skizze zeigt einen Durchströmbaren Querschnitt des Verdampfungskanals 9. Die Breite B des Verdampfungskanals 9 kann dabei in jeweiligen alternativen Varianten insbesondere das Vierfache, Sechsfache, Achtfache oder Zehnfache der Höhe H betragen. Auf diese Weise kann ein hoher durchströmbarer Querschnitt mit einer hohen effektiven Wechselwirkungsfläche (zwischen Fluid und Gas) und einer kompakten Bauweise kombiniert werden. Jede Verdampfungsvorrichtung 2 kann jeweils einen Einlassbereich 12 mit einer Einlassöffnung 14 und einen Auslassbereich 13 mit einer Auslassöffnung 15 aufweisen zum Einlassen bzw. Auslassen eines Fluids. Benachbarte Einlassöffnun- gen 14 können in einem montierten Zustand der Verdampfungsvorrichtungen 2 miteinander in Fluidverbindung stehen, und entsprechend können auch benachbarte Auslassöffnungen 15 miteinander in Fluidverbindung stehen. Dies wird insbesondere anhand der Darstellung der Figur 3 deutlich, welche mehrere Plattenpaare 4 mit mehreren Einlassöffnungen 14 in einem montierten Zustand zeigt.
Sowohl die Einlassöffnung 14 als auch die Auslassöffnung 15 können jeweils als ein auf einer Außenseite 16, 17 der ersten und zweiten Verdampferplatte 5, 6 bereitgestellter Einlass-Dom 18 bzw. Auslass-Dom 19 ausgebildet sein.
In der Figur 4 ist exemplarisch ein solcher Einlass-Dom 18 in einer Seitenansicht dargestellt. Sowohl der Einlass-Dom 18 als auch der Auslass-Dom können sich vorzugsweise jeweils in Richtung der benachbarten Verdampfungsvorrichtungen konisch verjüngen. Ein Verjüngungswinkel α kann dabei ungefähr zwischen 40° und 60°, vorzugsweise ungefähr 50° betragen.
Wie aus der Darstellung der Figur 2 entnehmbar, können der Einlass-Dom 18 bzw. der Auslass-Dom 19 jeweils eine im Wesentlichen ringförmig ausgebildete Deckfläche 20, 21 aufweisen. Auf diese Weise ist eine besonders gute Verlötung benachbarter Einlass- bzw. Auslass-Dome 18, 19, beispielsweise mittels eines Ni-Basis-Lots, möglich.
In der Figur 5 ist nun eine erfindungsgemäße Rippenstruktur 3 gezeigt. Die Rippenstruktur 3 umfasst dabei eine Mehrzahl von bezüglich der Gas- Strömungsrichtung G nebeneinander und rechteckartig gewellt angeordneten Rippen-Reihen 22. Die Rippen-Reihen 22 können aus Stahl, vorzugsweise aus Edelstahl, hergestellt sein. Jede Rippe-Reihe 22 besteht dabei aus alternierend nacheinander folgenden Erhebungen 23 und Senkungen 24, welche jeweils über Stege 25 miteinander verbunden sind. Benachbarte Rippen-Reihen 22 sind in Bezug auf die Position von Erhebungen 23 und Senkungen 24 zueinander versetzt angeordnet sind. Auf diese Weise kann eine verbesserte thermische Wechselwirkung der Rippenstrukturen 3 mit den Verdampfungsvorrichtungen 2 erzielt werden.
Anhand der Darstellung der Figur 1 wird nachfolgend die Anordnung der Rippenstrukturen 3 relativ zu den Verdampfungsvorrichtungen 2 erläutert. Demnach ist jede Rippenstruktur 3 sandwichartig zwischen zwei benachbarten Plattenpaaren 4 angeordnet. Erfindungsgemäß stützen sich dabei benachbarte Plattenpaare 4 jeweils mit ihrer Außenseite 16, 17 (vgl. Fig. 2) an einer Rippenstruktur 3 ab.
Der Verdampfer 1 kann nun ferner ein Gehäuse 26 umfassen zur fluidischen Begrenzung eines Gaspfads des durch die Mehrzahl von Rippenstrukturen 3 strömenden Gases. Somit ist eine separate Bereitstellung einer äußeren fluidischen Begrenzung der Rippenstrukturen 3 nicht erforderlich.
Der Verdampfer 1 kann ferner eine trichterartige ausgebildete Zuleitung 27 (vgl. Fig. 1 ) zur Zuführung des Gases in die Rippenstrukturen 3 und eine trichterartig ausgebildete Ableitung 28 zur Abführung des Gases aus den Rippenstrukturen 3 aufweisen. Es ist klar, dass in Varianten auch andere Geometrien bzgl. der Ausbildung der Zuleitung 27 bzw. der Ableitung 28 vorstellbar sind.
In der Figur 6 ist nun ein erfindungsgemäßer Verdampfer 1 in einer Längsschnitts-Ansicht gezeigt. Aus dieser Darstellung wird ersichtlich, dass der Verdampfer 1 eine Fluid-Einlassöffnung 29 und eine Fluid-Auslassöffnung 30 auf- weisen kann, welche jeweils mit den Einlassöffnungen 14 bzw. Auslassöffnungen 15 der Verdampfungsvorrichtungen 2 fluidisch verbunden sind. Die Fluid- Einlassöffnung 29 und die Fluid-Auslassöffnung 30 sind dabei vorzugsweise in Richtung der Gas-Durchströmungsrichtung G angeordnet. In der Figur 6 ist ein Gasstrom, insbesondere eines Abgases, durch Pfeile mit dem Bezugszeichen 31 bezeichnet.
In der Figur 7 ist nun schließlich ein Verdampfer 1 in einem montierten Zustand in einer perspektivischen Ansicht gezeigt.
Im Folgenden wird nun in Bezug auf obig erläuterte Zeichnungen die Funktionsweise des Verdampfers 1 erläutert. Ein heißes Gas, insbesondere ein Abgas, beispielsweise aus einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, kann in Richtung der Gasströmungs-Durchströmungsrichtung G in die Rippenstrukturen 3 der Verdampfungsvorrichtungen 2 eintreten und trifft dabei auf die Rippen-Reihen 22. Da sich an den Rippenstrukturen 3 jeweils benachbarte Plattenpaare 4 der Verdampfungsvorrichtung 2 abstützen, ist eine hohe thermische Wechselwirkung der Rippenstrukturen 3 mit den Verdampfungsvorrichtungen 2 sichergestellt. Folglich kann auch eine hohe thermische Wechselwirkung eines durch die Rippenstrukturen 3 strömenden Gases mit einem durch die Verdampfungskanäle 9 der Verdampfungsvorrichtungen 2 fließenden Fluid erfolgen. Mittels einer derartigen thermischen Wechselwirkung kann das heiße Gas vor dem Austritt aus den Rippenstrukturen 3 unter Verdampfung des durch die Verdampfungsvorrichtungen 2 strömenden Fluids auf sehr effektive Art und Weise abgekühlt werden.
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Claims

Ansprüche
1 . Verdampfer (1 ) für eine Abwärmenutzungsvorrichtung, umfassend:
- eine Mehrzahl von Verdampfungsvorrichtungen (2) zur Durchströmung mit einem Fluid, welche in einer Stapelrichtung (S) stapelartig aufeinander angeordnet sind,
- eine Mehrzahl von Rippenstrukturen (3), welche für die Durchströmung mit einem Gas in eine Gas-Durchströmungsrichtung (G) ausgebildet sind,
- wobei jede Verdampfungsvorrichtung (2) ein Plattenpaar (4) mit einer ersten und einer zweiten Verdampferplatte (5, 6) aufweist,
- wobei die erste und zweite Verdampferplatte (5, 6), welche komplementär zueinander ausgebildet sind, an einer jeweiligen Innenseite (7, 8) einen mäanderartig ausgebildeten Verdampfungskanal (9) aufweisen,
- wobei die Innenseiten (7, 8) der ersten und der zweiten Verdampferplatte (5, 6) in einem montierten Zustand außerhalb des Verdampfungskanals (9) flächig aneinander anliegen,
- wobei benachbarte Plattenpaare (4) sich jeweils mit ihrer Außenseite (16, 17) an einer Rippenstruktur (3) abstützen.
2. Verdampfer (1 ) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Rippenstruktur (3) jeweils sandwichartig zwischen zwei benachbarten Plattenpaaren (4) angeordnet ist.
3. Verdampfer (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass
die Gas-Durchströmungsrichtung (G) orthogonal zu der Stapelrichtung (S) verläuft.
4. Verdampfer (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
- dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfungskanal (9) eine Mehrzahl von Hauptströmungsabschnitten (10) aufweist, welche sowohl bezüglich der Stapelrichtung (S) als auch bezüglich der Gas-Durchströmungsrichtung (G) in eine orthogonale Richtung (O) verlaufen,
- wobei benachbarte Hauptströmungsabschnitte (10) jeweils mittels in der Gas- Durchströmungsrichtung (G) verlaufender Verbindungsabschnitte (1 1 ) fluidisch miteinander verbunden sind.
5. Verdampfer (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfungskanal (9) im Wesentlichen flach ausgebildet ist.
6. Verdampfer (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Rippenstruktur (3) eine Mehrzahl von bezüglich der Gas-Strömungsrichtung (G) nebeneinander und gewellt, insbesondere rechteckartig gewellt, angeordneten Rippen-Reihen (22) umfasst.
7. Verdampfer (1 ) nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
- jede Rippe-Reihe (22) aus alternierend nacheinander folgenden Erhebungen (23) und Senkungen (24) besteht, welche jeweils über Stege (25) miteinander verbunden sind, - wobei bezüglich der Gas-Strömungsrichtung benachbarte Rippen-Reihen (22) in Bezug auf die Position von Erhebungen (23) und Senkungen (24) zueinander versetzt angeordnet sind.
8. Verdampfer (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
- jede Verdampfungsvorrichtung (2) jeweils einen Einlassbereich (12) mit einer Einlassoffnung (14) und einen Auslassbereich (13) mit einer Auslassoffnung (15) aufweist zum Einlassen bzw. Auslassen des Fluids,
- wobei in einem montierten Zustand des Verdampfers (1 ) benachbarte Einlassöffnungen (14) miteinander in Fluidverbindung stehen und benachbarte Auslassöffnungen (15) miteinander in Fluidverbindung stehen.
9. Verdampfer (1 ) nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Einlassoffnung (14) und die Auslassoffnung (15) jeweils als auf der Außenseite (16, 17) der ersten und der zweiten Verdampferplatte (5, 6) bereitgestellter Ein- lass-Dom (18) bzw. Auslass-Dom (19) ausgebildet sind.
10. Verdampfer (1 ) nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Einlass-Dom (18) bzw. der Auslass-Dom (19) jeweils eine im Wesentlichen ringförmig ausgebildeter Deckfläche (20, 21 ) aufweist.
1 1 .Verdampfer (1 ) nach einem der Ansprüche 8 bis 10,
- dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (1 ) eine Fluid-Einlassöffnung (29) und eine Fluid-Auslassöffnung (30) aufweist, welche jeweils mit den Einlassöffnungen (14) bzw. Auslassöffnungen (15) der Verdampfungsvorrichtungen (2) fluidisch verbunden sind, - wobei die Fluid-Einlassöffnung (29) und die Fluid-Auslassöffnung (30) in Richtung der Gas-Durchströmungsrichtung (G) angeordnet sind.
12. Verdampfer (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Verdampfer (1 ) eine trichterartige ausgebildete Zuleitung (27) zur Zuführung eines Gases in die Rippenstrukturen (3) oder/und eine trichterartig ausgebildete Ableitung (28) zur Abführung des Gases aus den Rippenstrukturen (3) aufweist.
13. Verdampfer (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Verdampfer (1 ) ein Gehäuse (26) umfasst zur fluidischen Begrenzung eines Gaspfads des durch die Mehrzahl von Rippenstrukturen (3) strömenden Gases.
14. Verdampfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die erste und zweite Verdampferplatte (5, 6) in einem montierten Zustand jeweils, insbesondere mittels eines Ni-Basis-Lots, miteinander verlötet sind.
15. Verdampfer nach einem der Ansprüche 6 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Rippen-Reihen (22) aus Stahl, vorzugsweise aus Edelstahl, hergestellt sind.
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