WO2020015777A1

WO2020015777A1 - Wärmetauscher

Info

Publication number: WO2020015777A1
Application number: PCT/DE2019/100570
Authority: WO
Inventors: Andreas SCHLIEPER; Frank KORNETZKY; Sentuerk ORUC; Matthias Klein-Lassek; Dietmar Krauss; Martin Lohbreyer
Original assignee: Kelvion Machine Cooling Systems Gmbh
Priority date: 2018-07-19
Filing date: 2019-06-19
Publication date: 2020-01-23
Also published as: EP3824240A1; US20210270542A1; CN112313467B; JP2021523342A; EP3824240B1; CN112313467A; JP6979547B2; US11262139B2; KR20210002745A; DE102018117457A1; DK3824240T3

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher zum Kühlen von Gasen, mit einem Gaseinlass und einem Gasauslass und mit mehreren Kühlrohren, die zwischen dem Gaseinlass und dem Gasauslass angeordnet sind, sowie mit Rippen (1), wobei wenigstens eine solche Rippe (1) von mehreren der Kühlrohre durchsetzt ist, wobei die Rippen (1) Schlitze (4) aufweisen, die im Abstand von Öffnungen (2) zur Aufnahme der Kühlrohre angeordnet sind. Die Schlitze (4) sind sechseckförmig angeordnet, wobei die Schlitze (4) jeweils eines Sechsecks eine Öffnung (2) im Abstand D3 von der Öffnung (2) umgeben, wobei jeder Schlitz (4) mit zumindest einem Ende an einer sternförmigen Deformationsstelle (7) der Rippe (1) endet.

Description

Wärmetauscher

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher mit den Merkmalen des Patent- anspruchs 1.

Wärmetauscher zum Kühlen von Gasen kommen als Heißgaskühler z.B. in Form von Abgasrückkühlern oder auch Ladeluftkühlern zum Einsatz. Heißgaskühler ermöglichen für Motoren mit mittlerer oder niedriger Drehzahl eine Mischung von Rückführabgasen mit Verbrennungsgasen bei der niedrigsten möglichen Temperatur. Heißgaskühler sind daher ein entscheidendes Element von Abgasumluftsystemen, um die geltenden Emissionsrichtlinien zu erfüllen. In Hochdruck-Abgas-Systemen können Abgase von über 700°C auf 50°C heruntergekühlt werden. Die thermische Belastung derartiger Heißgaskühler ist sehr hoch. Es entstehen hohe thermische Spannungen in den Bauteilen des Abgasstroms.

Aus der DE 10 2008 011 558 B4 ist ein Wärmetauscher bekannt mit Kühlrippen, die muldenartig geprägte Turbulatoren aufweisen. Die Turbulatoren verbessern den Wärmetausch und erhöhen die Effektivität des Wärmetauschers. Durch Kühlrippen kann auf der Gasseite eine etwa um den Faktor 8 bis 20 größere Wärmetauscherfläche bereitgestellt werden, als auf der Kühlmittelseite. Bei Heißgaskühlern ist zu beachten, dass die Gasströmung in manchen Betriebsfällen oftmals mit sehr hoher Geschwindigkeit und punktorientiert in den Wärmetauscher eintritt. Dadurch ergeben sich in den einzelnen, in Strömungsrichtung des Gases aufeinanderfolgenden Stufen teilweise ungenügende Homogenitätsfaktoren mit Werten <0,95. Diese sehr hohen punktuellen Belastungen führen gleichsam lokal zu sehr hohen thermischen Spannungen. Rippenanordnungen, bei denen die Steifigkeit zu hoch ist, können zu Ermüdungsbrüchen an den Kühlrohren führen, insbesondere im Übergang zum Rohrboden. In der DE 10 2012 217 323 A1 wurde daher vorgeschlagen, dass eine Rippe eine Dehnsicke zur Spannungskompensation aufweist und dass zusätzlich im Bereich der Dehnsicke die Materialstärke reduziert wird oder ein Schlitz zur Spannungskompensation eingebracht wird. Das Herstellen von Dehnsicken in Kombination mit der Reduzierung der Materialstärke oder das zusätzliche Einbringen von Schlitzen im Bereich der Dehnsicke ist technisch vergleichsweise aufwendig.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher aufzuzeigen, welcher auch bei sehr hohen Temperaturgradienten geringere Spannungsbelastungen in den Kühlrohren aufweist und bei welchen folglich die Dauerstandfestigkeit verbessert ist.

Diese Aufgabe ist bei einem Wärmetauscher mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.

Der erfindungsgemäße Wärmetauscher zum Kühlen von Heißgasen ist insbesondere ein Abgasrückkühler oder auch ein Ladeluftkühler. Er besitzt einen Gaseinlass und im Abstand vom Gaseinlass einen Gasauslass. Zwischen dem Gaseinlass und dem Gasauslass sind mehrere Kühlrohre angeordnet. Sie erstrecken sich quer zur Strömungsrichtung des Gases. Das Kühlmedium ist insbesondere Wasser.

Die Kühlrohre sind von Rippen umgeben. Die Rippen können auch als Lamellen bezeichnet werden. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass eine solche Rippe mehrere Öffnungen aufweist, so dass durch eine Rippe bzw. Lamelle gleichzeitig mehrere Kühlrohre geführt sind. Es handelt sich daher nicht um eine Einzelberippung der einzelnen Kühlrohre, sondern um ein Paket. Ein solches Paket erstreckt sich vorzugsweise über nahezu den gesamten Anströmquerschnitt des Wärmetauschers.

Die Rippen besitzen bei der Erfindung Schlitze. Diese Schlitze dienen zur Kompensation thermischer Spannungen und zur Homogenisierung des Gasstroms. Der Gasstrom durchströmt die Schlitze. Die Schlitze befinden sich im Abstand von den Öffnungen, in denen sich die Kühlrohre befinden. Bei der Erfindung kommt eine besondere Anordnung der Schlitze zur Anwendung: Die Schlitze sind wabenförmig angeordnet. Das heißt, dass mehrere Schlitze in sechseckiger Anordnung jeweils eine Öffnung bzw. jeweils ein Kühlrohr umgeben. Jeweils ein Sechseck umgibt eine Öffnung. Die Schlitze folgen dem Kantenverlauf des Sechseckes, so dass die Schlitze bevorzugt gerade sind. Die Erfindung schließt einen ungeraden Schlitzverlauf nicht aus, sofern die Anordnung insgesamt sechseckig bleibt und nicht z.B. kreisförmig ist. Die Enden von Schlitzen an einer Ecke des Sechsecks stehen daher im Winkel zueinander. Das Sechseck ist insbesondere gleichseitig und gleichwinklig wie bei einem regelmäßigen Seckseck.

Jeder Schlitz endet an einer Deformationsstelle der Rippe. Diese Deformationsstelle befindet sich an der Ecke des Sechsecks. Diese Deformationsstelle ist eine Besonderheit gegenüber Bauformen, bei denen Durchlässe in den Rippen vorhanden sind. Der Deformationsbereich hat den positiven Effekt, dass die Steifigkeit der Rippe verringert wird und die bei hohen (thermischen) Lasten eine plastische Verformung zulässt. Die Schaffung einer Deformationsstelle innerhalb der Rippe ermöglicht es, dass die flexible Stelle im Notfall, d. h. bei hoher punktueller Last plastisch verformt werden kann. Dies führt allerdings nicht zu durchgängigen Verformungen innerhalb der gesamten Rippe und auch nicht zu Funktionsbeeinträchtigungen von übrigen Teilen des Wärmetauschers. Diese Steifigkeitsverringerung bewirkt geringere thermisch induzierte Spannungen der Kühlrohre. Untersuchungen haben gezeigt, dass Plastifizierungen im Übergang von dem Kühlrohr zu einem Rohrboden, in welchen das Kühlrohr befestigt ist, um bis zu 80% verringert werden können. Dadurch ergibt sich eine höhere Dauerstandfestigkeit des gesamten Wärmetauschers, die eine unmittelbare Folge der verringerten Steifigkeit der Rippen bzw. Lamellen ist.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist eine Breite der Schlitze größer ist als die minimale Breite der Deformationsstelle. Die Deformationsstellen sollen daher relativ schmal sein. Die Breite der Schlitze hängt von der gewünschten Durchmischung des Gasstroms ober- und unterseitig der Schlitze ab. Es ist nicht vorgesehen, dass die Schlitze im Bereich einer Sicke der Rippen angeordnet sind. Die Rippe selbst ist in einer ersten bevorzugten Ausführungsform im Wesentlichen eben, abgesehen von Kragen bzw. Durchzügen zur Anlage der Kühlrohre an der Rippe. Die Schlitze führen bereits zu einer Beeinflussung der Strömung und zur Minimierung durch thermische Ausdehnung induzierter Spannungen auf die Öffnungen bzw. Rohre. In diesem Zusammenhang bedeutet "eben", dass die Rippe nicht gewellt oder geriffelt ist.

In einer Weiterbildung der Erfindung kann eine Rippe einzelne Prägungen aufweisen. Die Schlitze befinden sich bevorzugt außerhalb der Prägungen. Einzelne Prägungen können die Strömungsführung verbessern. Schlitze außerhalb der Prägungen lassen sich einfacher fertigen. Die Schlitze sind nicht von Ausstellungen der Rippe überdeckt, wie sie entstehen, wann das ausgestanzte Teil zur Herstellung des Schlitzes an einer Seite des Schlitzes oder an mindestens einem Ende des Schlitzes befestigt ist. Es wird angestrebt, dass die Rippen eine sehr hohe Bruchdehnung aufweisen. Sie sollte insbesondere über 25% liegen.

Es ist günstig, wenn nur ein einziger Schlitz zwischen zwei benachbarten Öffnungen angeordnet ist. Dieser Schlitz hat zu den benachbarten Öffnungen jeweils denselben Abstand. Die Erfindung erfasst auch, dass der einzige Schlitz zwischen zwei benachbarten Öffnungen Einschnürungen, Engstellen oder Unterbrechungen aufweist, sodass mehrere kürzere, in ihren Längsrichtungen aufeinander folgende Schlitze gemeinsam funktional den einzigen, längeren Schlitz bilden, der sich zwischen zwei benachbarten Öffnungen erstreckt. Nicht die Anzahl der Schlitze ist maßgeblich, sondern die wabenförmige Anordnung entlang des Kantenverlaufs eines Sechsecks.

Die Kühlrohre zweier aufeinanderfolgender Rohrreihen sind quer zur Strömungsrichtung des Gases versetzt angeordnet. Wenn alle Schlitze gleich lang sind, ergibt sich ein gleichbleibendes und sich innerhalb einer Rippe wiederholendes, sechseckförmiges oder wabenförmiges Muster. Die Öffnung für das Kühlrohr ist die Mitte eines solchen Sechsecks bzw. einer solchen Wabe. Die Deformationsstelle ist das Zentrum einer sternförmigen Anordnung von drei Schlitzen. In diesem Sinne ist auch die Deformationsstelle sternförmig.

Zur Reduzierung von durch Kerbwirkung verursachten Spannungen sind die Schlitze an den Enden vorzugsweise gerundet, insbesondere vollständig gerundet. Der Durchmesser der Rundung entspricht bevorzugt der Breite der Schlitze. Drei Schlitze, die bei der Wabenform vorzugsweise um jeweils 120° zueinander versetzt angeordnet sind, begrenzen eine sternförmige Deformationsstelle. Die drei Schlitze grenzen mit ihren Enden an einen gemeinsamen Kreis. Er ist gleichzeitig der Innenkreis der sternförmigen Deformationsstelle. Der Durchmesser dieses Innenkreises ist vorzugsweise etwa so groß wie der Durchmesser der endseitigen Rundungen der Schlitze. Aufgrund der bei der bevorzugten Wabenform um 120° zueinander versetzten Schlitze ist allerdings der kleinste Abstand zwischen benachbarten Schlitzen etwas kleiner als der besagte Durchmesser. Daher ist bei dieser Auslegung die Breite der Schlitze größer als die Breite der Deformationsstelle.

Es ist im Rahmen der Erfindung möglich, die Deformationsstelle noch kleiner zu wählen bzw. die Schlitze länger zu machen. Die Schlitze sind nicht so lang, dass die Deformationsstelle entfällt. Bei gleichlangen Schlitzen erstreckt sich jeder Schlitz bei der bevorzugten Wabenform über einen Winkel von etwas weniger als 60° bezogen auf die benachbarte Öffnung. Es gibt bei der bevorzugten Wabenform keine sechseckförmigen Einzelrippen, sondern Rippen, durch die immer mehrere Kühlrohre gleichzeitig geführt sind.

Der Begriff Sechseck oder Wabenform im Kontext der Patentanmeldung ist nicht so zu verstehen, dass alle Seiten des Sechseckes gleich lang oder in dem gleichen Winkel zueinander stehen müssen. Es ist im Rahmen der Erfindung möglich, dass die einander gegenüberliegenden Schlitze gleich lang sind, wobei ein Paar der gegenüberliegenden Schlitze eine andere Länge aufweist als die beiden anderen Paare von gegenüberliegenden Schlitzen. Eine solche Anordnung von Sechsecken, die gewissermaßen langgestreckt sind kann sich ergeben, wenn der Abstand der Rohrreihen nicht gleich dem Abstand der Rohre innerhalb einer Reihe ist. In diesem Fall sind die Schlitze, die von Rohrreihe zu Rohrreihe weisen, länger als die anderen Paare von Schlitzen. Falls die Rohrreihen einen kleineren Abstand zueinander haben als der Abstand der Rohre innerhalb einer Reihe sind die Schlitze, die von Rohrreihe zu Rohrreihe weisen, etwas kürzer als die anderen beiden Paare von Schlitzen.

In einer Weiterbildung der Erfindung sind zwischen dem Gaseinlass und dem Gasauslass des Wärmetauschers mehrere Gruppen von Kühlrohren angeordnet. Wenigstens eine dem Gaseinlass benachbarte, erste Gruppe von Kühlrohren wird von den besagten Rippen durchsetzt. Vorzugsweise werden auch eine zweite und dritte Gruppe von den besagten Kühlrohren durchsetzt. Die Bildung von Gruppen ermöglicht eine konstruktive Anpassung der einzelnen Gruppen an die lokal herrschenden thermischen Bedingungen. Die Gruppen sind in geringen Abständen zueinander angeordnet. Es folgen daher bei beispielsweise drei aufeinander folgenden Gruppen bzw. Stufen auch drei hintereinander und im Abstand zueinander angeordnete Rippen aufeinander. Insbesondere sind alle Gruppen von Kühlrohren mit den besagten Rippen versehen.

Eine einzelne Gruppe von Kühlrohren umfasst erfindungsgemäß mindestens zwei Rohrreihen, die in Strömungsrichtung des Gases aufeinanderfolgen. Die Rohrreihen sind versetzt zueinander angeordnet, so dass eine möglichst große Anströmfläche der Rohre besteht.

In einer Weiterbildung der Erfindung besitzen die Rippen in Strömungsrichtung des Gases liegende Randseiten, wobei wenigstens eine Randseite sägezahnartig (ca. ±30° zur Anströmfläche bei der bevorzugten Wabenform) profiliert ist. Der profilierte Verlauf kann dem Verlauf der Schlitze entsprechen. Die besagten Rippen können aus größeren Blechplatinen hergestellt werden. Sie werden an den Randseiten der Rippen getrennt. Der Trennvorgang kann im Bereich der Deformationsstellen erfolgen, so dass zum Trennen sehr wenig Material bearbeitet werden muss. Der Aufwand zur Trennung der Rippen zu kleineren Einheiten ist sehr gering.

Zusätzlich kann an den Randseiten eine Aussparung zur Ausbildung einer Deformationsstelle vorgesehen sein. Diese Deformationsstelle soll mit dem jeweiligen Schlitz Zusammenwirken, welcher der wenigstens einen Randseite benachbart ist. Das sind diejenigen Schlitze, die in Strömungsrichtung weisen. Die Aussparung reduziert die flächenmäßige Ausdehnung der Deformationsstelle. Im Anström bereich des Wärmetauschers treten die höchsten punktuellen Belastungen auf. Hier sind besonders geringe Biegesteifigkeiten von Vorteil. Mithin sollen die Aussparungen zwar intakt bleiben und gleichzeitig auch die Montage vereinfachen. Dennoch haben sie die Funktion, im Notfall plastisch verformt zu werden, ohne übrige Bereiche der Rippe oder des Kühlrohrs negativ zu beeinflussen. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist es möglich, die sägezahnartig verlaufenden Randseiten gewissermaßen zu runden bzw. zu glätten, sodass es keine besonders scharfe oder spitz vorstehenden Ecken an den Randseiten gibt. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist es möglich, dass sich insbesondere auf der angeströmten Randseite die Schlitze bis zur Randseite zu erstrecken, sodass es randseitig überhaupt keine Deformationsstellen gibt. In diesem Fall sind die zur Randseite hinführenden Schlitze offen. Die Schlitze können an ihrer Mündung sogar noch etwas verbreitert sein. Diese Verbreiterungen können dadurch hergestellt werden, dass die ursprünglich vorhandenen Deformationsstellen entfernt werden, beispielsweise ausgestanzt werden. Der ausgestanzte Bereich kann dabei etwas größer gewählt werden, als der Bereich der Deformationsstelle, sodass es keine Einschnürungen im Übergang von der Randseite zur Breite des Schlitzes gibt. Die Ausstanzungen sind daher in der Breite bzw. im Durchmesser bevorzugt größer als die Breite des Schlitzes.

Sollten bei der erfindungsgemäßen Anordnung von Kühlrohren und Rippen plastische Verformungen in einer Deformationsstelle auftreten, kann sich eine solche Rippe dennoch nicht in Längsrichtung des Kühlrohre verschieben. Die Rippen sind vorzugsweise in gestapelter Anordnung gehalten und umgeben das Kühlrohr vollständig. Hierzu dient ein an den Rippen angeordneter Kragen als Abstandhalter. Die Höhe des Kragens bestimmt den Abstand zwischen benachbarten Rippen. Der Kragen umgibt die Öffnungen.

Abgesehen von den quer zur Ebene der Rippen verlaufenden Kragen, welche die Kühlrohre umgeben, sind die Rippen im Wesentlichen eben. Die hohe Anzahl an Schlitzen, Öffnungen und die kleinen Deformationsstellen führen dazu, dass derartige Rippen relativ leicht sind, zumindest aber leichter als Rippen, bei denen Turbulatoren in dieselbe Richtung oder wechselseitig ausgestellt sind. Die Gewichtsersparnis wirkt sich im Ergebnis positiv auf das Gesamtgewicht des Wärmetauscher aus. Besagte Rippen besitzen eine Dicke von wenigen Zehntel Millimetern. Die Rippen besitzen vorzugsweise eine Dicke von weniger als 0,16 mm. Vorzugsweise beträgt die Dicke 0,10 mm bis 0,15 mm. Aufgrund der relativ geringen Dicke wird bei derartigen Rippen auch von Lamellen gesprochen. Die Durchmesser der Öffnungen und damit der Kühlrohre liegen vorzugsweise in einem Bereich von 6 mm bis 10 mm. Die Öffnungen besitzen vorzugsweise einen Durchmesser von 7 bis 8 mm. Der Abstand benachbarter Rohre beträgt etwa das Doppelte des Durchmessers der Kühlrohre bzw. des Durchmessers der Öffnung. Die Breite der Schlitze liegt bei ca. 15% bis 25% des Durchmessers der Öffnungen. Der hohe Anteil von Öffnungen und Durchbrüchen wirkt sich aber nicht negativ auf die Effektivität des Wärmeübergangs aus. Insbesondere wird durch die besagte Konfiguration der Rippen ein Wärmetauscher mit hoher Dauerstandfestigkeit bereitgestellt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert, das in den Zeichnungen schematisch dargestellt ist. Es zeigen:

Figur 1 Eine Rippe eines Wärmetauschers in der Draufsicht;

Figur 2 Die Rippe der Figur 1 in perspektivischer Darstellung;

Figur 3 In vergrößerter Darstellung einen Sollbruchbereich zwischen drei

Schlitzen;

Figur 4 Eine perspektivische Darstellung eines Wärmetauschereinsatzes zum Kühlen von Heißgasen;

Figur 5 Den Wärmetauschereinsatz der Figur 4 teilweise im Schnitt;

Figur 6 Den Wärmetauschereinsatz der Figur 4 teilweise im Schnitt in einer weiteren perspektivischen Ansicht mit Blickrichtung auf den Heißgaseinlass;

Figur 7 Eine weitere Ausführungsform einer Rippe eines Wärmetauschers in der Draufsicht; Figur 8 eine weitere Ausführungsform einer Rippe eines Wärmetauschers in der Draufsicht und

Figur 9 eine weitere Ausführungsform einer Rippe eines Wärmetauschers in der Draufsicht.

Die Figur 1 zeigt eine Rippe 1 eines nicht näher dargestellten Wärmetauschers zum Kühlen von Gasen. Die Figur 2 zeigt die besagte Rippe 1 in einer perspektivischen Darstellung. In nicht näher dargestellter Weise durchsetzen mehrere Kühlrohre die besagten Rippen 1. Die Rippen 1 werden in gestapelter Anordnung montiert (Fig. 6). Kreisförmige Öffnungen 2 in den Rippen 1 nehmen die Kühlrohre 13 auf (Fig. 5). Die Öffnungen 2 besitzen jeweils einen in der Bildebene der Figur 2 nach unten weisenden Kragen 3. Der Kragen 3 bestimmt gleichzeitig den Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden, gestapelten Rippen 1. Mehrere derartige übereinander angeordnete Rippen 1 bzw. Lamellen bilden mit den darin angeordneten Kühlrohren 13 eine Gruppe 14 - 17 (Figur 4). Eine einzelne Gruppe 14 - 17 kann auch als Wärmetauscherpaket bezeichnet werden. Ein solches Paket wird in der Einbausituation innerhalb des Wärmetauschers 10 je nach Lage im Strömungspfad als erste Stufe, zweite Stufe etc. bezeichnet. Die einzelnen Pakete bzw. Gruppen 14 - 17 können im Abstand zueinander angeordnet sein. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass wenigstens eine dieser Gruppen 14 - 17 von Kühlrohren 13 in Kombination mit den besagten Rippen 1 innerhalb des erfindungsgemäßen Wärmetauschers 10 angeordnet ist. Insbesondere handelt es sich um diejenige Gruppe 14, die dem Gaseinlass 11 am nächsten liegt (Figur 4).

Die perspektivische Darstellung der Figur 2 zeigt, dass die besagte Rippe 1 abgesehen von den Kragen 3 eben ist. Es handelt sich um eine Rippe 1 , die aus einer Blechplatine hergestellt ist. Aufgrund der Verwendung in Wärmetauschern 10 mit aggressiver Umgebung bestehen die Rippen 1 aus rostfreiem Stahl. Der Stahl besitzt vorzugsweise eine hohe Elastizität bei einheitlicher Dicke. Sie beträgt vorzugsweise 0,12 mm. Ein geeigneter Werkstoff ist X2CrTi12 mit der Werkstoff-Nr. 1.4512. Der Werkstoff besitzt eine Zugfestigkeit Rm von 380 bis 560 N/mm² Die Dehngrenze Rp02 liegt bei etwa 280 bis 290 N/mm. Die Dehnung A 80% erreicht in der Praxis Werte über 25%. Insbesondere beträgt die Dehnung 30% und liegt insbesondere über 34%. Weitere übliche Materialien sind die Werkstoffe 1.4404 (austenitischer Edelstahl) oder 1.4521 (ferritischer Edelstahl).

Das Besondere bei der erfindungsgemäßen Struktur des Wärmetauschers 10 ist die Geometrie der Rippen 1. Die Rippen 1 besitzen neben den Öffnungen 2 für die Kühlrohre 13 regelmäßig angeordnete Schlitze 4. Die Schlitze 4 haben die Form von Langlöchern mit vollständig gerundeten Enden. Alle Schlitze 4 sind gerade, gleichlang und einheitlich breit. Sie sind vieleckförmig angeordnet und zwar in diesem Fall sechseckförmig oder wabenförmig. Das beschriebene Vieleck ist ein gleichmäßiges Hexagon. Es befindet sich jeweils ein Schlitz 4 zwischen zwei benachbarten Kühlrohren 13 bzw. Öffnungen 2. Die Kühlrohre 13 bzw. Öffnungen 2 sind in Reihen R1 , R2, R3 hintereinander angeordnet. Die Reihen R1 , R2, R3 usw. sind jeweils quer zur vorhergehenden Reihe versetzt angeordnet. Dadurch befindet sich in jeder Wabe, die von den sechs geraden Schlitzen 4 begrenzt wird, jeweils eine Öffnung 2 bzw. ein Kühlrohr 13. Die Schlitze 4 besitzen eine Länge L1. Die Länge L1 ist geringfügig kleiner als der Durchmesser D1 der kreisrunden Öffnung 2. In diesem Ausführungsbeispiel beträgt die Länge L1 7,5 mm im Vergleich zum Durchmesser D1 von 8 mm. Die Breite B1 der Schlitze 4 beträgt 1 ,5 mm. Das Verhältnis von Länge L1 zu Breite B1 der Schlitze 4 beträgt daher 5:1. Alle benachbarten Schlitze stehen in einem Winkel W von 120° zueinander.

Der Abstand der Mittellängsachse MLA eines Schlitzes 4 von einem Mittelpunkt M einer Öffnung 2 ist in Figur 1 mit D2 bezeichnet. Dieser Abstand D2 entspricht dem Durchmesser D1 der Öffnungen 2. Ein Schlitz 4 befindet sich immer genau in der Mitte zwischen zwei der Öffnungen 2. Alle Öffnungen 2 befinden sich zentrisch in den einzelnen, von den Schlitzen 4 gebildeten Waben. Figur 1 zeigt ferner, dass in Strömungsrichtung (Pfeil P) des Gases liegende Randseiten 5, 6 sägezahnartig profiliert sind. Zur Herstellung der Rippen 1 wurde eine größere Blechplatine aufgeteilt, und zwar im Bereich von Deformationsstellen 7. Diese Deformationsstellen 7 werden immer von einem Schlitz 4 begrenzt, der in die Strömungsrichtung P weist. Abgesehen von den Randseiten 5, 6 befinden sich die Deformationsstellen 7 dort, wo jeweils drei um 120° zueinander versetzte Schlitze 4 mit ihren Enden benachbart sind. Die Deformationsstellen 7 befinden sich an Eckpunkten des Vielecks. Im Hinblick auf die Randseiten 5, 6 sind es lediglich die parallel zur Strömungsrichtung P verlaufenden Schlitze 4. Da diese randseitigen Deformationsstellen 7 besonders hohen thermischen Belastungen unterliegen, ist vorgesehen, dass hier keine widerstandsfähigeren Deformationsstellen geschaffen werden, als diejenigen, die zwischen den sternförmig angeordneten Schlitzen 4 angeordnet sind.

An den Enden der Schlitze 4, die zu den Randseiten 5, 6 weisen, befinden sich daher kreisbogenförmige Aussparungen 8 mit dem Durchmesser D3. Die Aussparung 8 kann sehr einfach hergestellt werden, indem ein Stanzwerkzeug verwendet wird, das den eigentlichen Kernbereich der Deformationsstelle 7 entfernt.

Figur 3 zeigt in vergrößerter Darstellung die Deformationsstelle 7. Die Grenzen der Deformationsstelle 7 sind mit der gestrichelten Linie gekennzeichnet. Die Linien begrenzen denjenigen Bereich, in dem die höchsten Materialspannungen auftreten. In konstruktiver Hinsicht begrenzen die drei Schlitze 4 zwischen sich einen Innenkreis 9, der von dem sternförmigen Bereich der Deformationsstelle 7 eingeschlossen wird. Wird der Innenkreis 9 durch ein Stanzwerkzeug, das leicht in der Bildebene der Figur 3 nach oben verschoben wird, entfernt, greift das Stanzwerkzeug in die beiden oberen Schlitze 4 ein. Vorzugsweise besitzt das Stanzwerkzeug zum Entfernen der Deformationsstelle 7 und damit zum Trennen der Bleche einen etwas größeren Durchmesser. Bei diesem Beispiel ist die Breite B1 der Schlitze 4 gleich dem Durchmesser D4 der gerundeten Enden der Schlitze 4. Auch der Zentralbereich 9 besitzt diesen Durchmesser D4. Dieser beträgt beispielsweise 1 ,5 mm. Bei einem etwas größeren Stanzwerkzeug mit einem Durchmesser von beispielsweise 2 mm ergibt sich die Aussparung 8 mit dem Durchmesser D3 von dann ebenfalls 2 mm. Damit die Rippe 1 im Bereich der Aussparung 8 überhaupt noch eine Deformationsstelle 7 aufweist, ist die Aussparung 8 so platziert, dass eine Breite B2 (Figur 1 ) verbleibt. B2 beträgt in diesem Ausführungsbeispiel etwa ein Drittel der Breite des Schlitzes 4, also etwa 0,5 mm.

Grundsätzlich ist die Deformationsstelle 7 an ihrer schmälsten Stelle B3 (Figur 3) schmaler als die Breite B1 der Schlitze 4.

Variationen im Rahmen der Erfindung sind möglich, indem die einzelnen Schlitze 4 in ihrer Länge L1 angepasst werden. Längere Schlitze 4 bewirken kleinere Deformationsstellen 7 und erhöhen die Elastizität der Rippe 1. Kürzere Schlitze 4 würden die Steifigkeit der Rippe 1 erhöhen.

Die Figur 4 zeigt einen Wärmetauscher 1 zum Kühlen von Heißgasen. Der dargestellte Wärmetauscher besitzt einen Gaseinlass 11 und einen Gasauslass 12 im Abstand zum Gaseinlass 11. Zwischen dem Gaseinlass 11 und dem

Gasauslass 12 ist eine Vielzahl von parallel verlaufenden Kühlrohren 13 angeordnet. Die Kühlrohre 13 sind von den Rippen 1 umgeben, wie sie vorstehend erläutert worden sind.

Figur 4 zeigt, dass der Wärmetauscher 10 mehrere hintereinander geschaltete Gruppen 14 - 17 aufweist. Die Gruppen 14 - 17 werden nacheinander von dem zu kühlenden Heißgas durchströmt. Das Kühlwasser, das die Kühlrohre 13 durchströmt, wird zwischen zwei aufeinanderfolgenden Gruppen 14 - 17 umgelenkt. Hierzu befinden sich außerhalb eines die Kühlrohre 13 und die Rippen 1 umschließenden Gehäuses 18 Leitbleche 19 - 22. Der dargestellte Wärmetauscher 10 wird in ein nicht näher dargestelltes weiteres Gehäuse eingesetzt. Kühlwasser wird beispielsweise in der Bildebene von oben der ersten Gruppe 14 zugeleitet. Das Kühlwasser strömt dann durch die Kühlrohre 13 von oben nach unten und tritt unterhalb der ersten Gruppe 14 aus. Zwischen den beiden Leitblechen 19, 20 umströmt das Kühlwasser die erste Gruppe 14 und die darauffolgende zweite Gruppe 15 außenseitig und strömt oberhalb der zweiten Gruppe 15 von oben wieder in die dortigen Kühlrohre 13 ein. Dieser Vorgang wiederholt sich bis zur letzten Gruppe 17. Alle Leitbleche 19 - 22 sind identisch konfiguriert. Sie können mit elastomeren Dichtungen umgeben sein, um eine Abdichtung gegenüber dem umschließenden, weiteren Gehäuse zu bewirken und um Bypassströmungen des Kühlwassers zu vermeiden.

Figur 5 zeigt eine perspektivische Darstellung des Wärmetauschers 10, teilweise im Schnitt. Die erste Gruppe 14 ist ohne den in Figur 4 gezeigten, oberen Rohrboden 23 dargestellt, so dass der Blick auf die einzelnen Kühlrohre 13 und die Rippen 1 frei ist. Aus der Blickrichtung der Figur 6 auf die besagte erste Gruppe 14 ist zu erkennen, dass die Rippen 1 in dicht übereinander gestapelter Anordnung angeordnet sind. Über einen sich in Strömungsrichtung vergrößernden Einströmtrichter 24 wird der zugeführte Gasstrom möglichst gleichmäßig auf die von den Rippen 1 gebildete Anströmfläche geleitet. Der Gasstrom strömt zwischen den benachbarten Rippen 1 hindurch und umströmt dabei die Kühlrohre 13. Dieser Vorgang wiederholt sich von der ersten bis zur letzten Gruppe 14 - 17. Aus der Darstellung der Figur 5 ist zu erkennen, dass Rippen 1 der darauffolgenden Gruppe 15 in einem gewissen Abstand zu den Rippen 1 der ersten Gruppe 14 angeordnet sind. Die einzelnen Kühlrohre 13, die in zueinander versetzten Reihen angeordnet sind, bilden zusammen mit den jeweiligen übereinander gestapelten Rippen 1 die jeweilige Gruppe 14 - 17 des Wärmetauschers 10. Ein gewisser Abstand zwischen den Gruppen 14 - 17 ist erforderlich, da für die Umleitung des Kühlwassers Platz für die Umlenkbleche 19 - 22 benötigt wird. Im Bereich der Umlenkbleche 19 - 22 oberseitig der einzelnen Gruppen 14 - 17 fehlt gewissermaßen eine Reihe von Kühlrohren 13, so dass die Gruppen 14 - 17 im Abstand zueinander angeordnet sind. Die Figuren 7 bis 9 zeigen drei weitere Ausführungsbeispiele von Rippen für die besagten Wärmetauscher. Für diese Ausführungsbeispiele werden für die im Wesentlichen baugleichen Komponenten dieselben Bezugszeichen verwendet wie für das Ausführungsbeispiel der Figuren 1 bis 3.

Das Ausführungbeispiel der Figur 7 unterscheidet sich von demjenigen der Figur 1 in der Breite und Länge. Während bei dem Ausführungsbeispiel der Figur 1 insgesamt sechs Rohrreihen hintereinander angeordnet sind, sind es bei dem Ausführungsbeispiel der Figur 7 nur vier und auch nur maximal vier Kühlrohre in der Breite. Die Anordnung und Form der Schlitze 4 sowie der Deformationsstellen und der Öffnungen 2 ist allerdings identisch.

Während das Ausführungsbeispiel der Figur 1 an der angeströmten Randseite 5 und der gegenüberliegenden Randseite 6 zusätzliche Aussparungen an den Deformationsstellen im Randbereich zeigt, sind diese bei dem Ausführungsbeispiel der Figur 7 nicht vorhanden. Die Randseiten 5 und 6 sind gewissermaßen gerundet. Die Aussparungen die bei dem Beispiel der Figur 1 zu spitzen Vorsprüngen führen, wurden geglättet, sodass der Verlauf der Randseiten 5, 6 keine scharfen Sprünge oder Knicke im Verlauf mehr aufweist.

Eine Alternative hierzu stellt das Ausführungsbeispiel der Figur 8 dar. Dort ist die dargestellte Rippe 1 im Bereich ihrer angeströmten Randseite 5 mit zusätzlichen Aussparungen 25 versehen. Sie sind dort angeordnet, wo diejenigen Schlitze 4 enden, die in Strömungsrichtung gemäß dem Pfeil P verlaufen und damit parallel zur Anström richtung bzw. senkrecht zur Randseite 5 stehen. Der sägezahnartige Verlauf der Randseite 5 wird durch die zusätzlichen Aussparungen 25 im Bereich der Schlitze 4 unterbrochen. Die Schlitze 4 münden über die Aussparungen 25 in die sägezahnartig verlaufende Randseite 5. Die Aussparungen 25 sind durch Ausstanzen der Endbereiche der zur Randseite 5 weisenden Schlitze 4 hergestellt. Dadurch entfällt die in Figur 1 mit 7 bezeichnete Deformationsstelle und wird durch eine kreisrunde Aussparung 25 ersetzt. Der Durchmesser der Aussparung 25 ist größer als die Breite B1 des Schlitzes 4. Der Durchmesser ist etwa doppelt so groß wie die Breite B1. Dadurch ergeben sich im Übergang von der angeströmten Randseite 5 zu dem Schlitz 4 konkave Verbreiterungen des Eintrittsbereichs des Schlitzes 4. Diese verbreiterten Aussparungen 25 bewirken, dass die thermisch induzierten Spannungen im Anström bereich der Rippe 1 nochmals deutlich reduziert sind, insbesondere, weil hier die höchsten Temperaturen herrschen und daher früher eine Materialermüdung auftreten kann als auf der gegenüberliegenden, der Strömung abgewandten Randseite 5.

Das Ausführungsbeispiel der Figur 9 unterscheidet sich von demjenigen der Figur 1 , 7 und 8 durch unterschiedlich lange Schlitze 4. Diejenigen Schlitze 5, die in Strömungsrichtung weisen und somit parallel zur Strömung (Pfeil P) verlaufen, sind länger als die anderen, sich paarweise gegenüberliegenden Schlitze 4. Es handelt sich immer noch um eine sechseckförmige Anordnung von Schlitzen 4. Die besagten Sechsecke sind allerdings nicht mehr gleichmäßig, sondern in Strömungsrichtung P gestreckt. Es wird darauf hingewiesen, dass sich der Abstand der Reihen R1 , R2, R3 (siehe Figur 1 ) nicht geändert hat. Es wurden lediglich die Proportionen der Schlitze 4 verändert. Während die in Strömungsrichtung verlaufenden Schlitze 4 etwas länger sind als bei dem Ausführungsbeispiel der Figuren 1 , 7 und 8, sind die diagonal zur Strömungsrichtung P verlaufenden Schlitze 4 etwas kürzer. Die Winkellagen der einzelnen Schlitze 4 zueinander haben sich nicht geändert. Sie sind immer noch sternförmig mit einem Winkel von 120° zueinander angeordnet.

Ein weiterer Unterschied ist, dass die Deformationsbereiche 7 nicht mehr symmetrisch sind. Der längere Schlitz 4 der drei aufeinandertreffenden Schlitze 4 greift gewissermaßen etwas tiefer in die Deformationsstelle 7 hinein. Der Mittelpunkt der Deformationsstelle 7 wird dadurch etwas aus der Mittellage verschoben hin zu einer der benachbarten Öffnungen 2. In diesem Fall sind es diejenigen Öffnungen 2, die in Strömungsrichtung P hintereinander angeordnet sind. Durch Variation der paarweise angeordneten, einander gegenüberliegenden Schlitze 4 hinsichtlich ihrer Länge, lässt sich der Mittelpunkt der Deformationsstelle 7 anforderungsgerecht positionieren. Erkennbar ist auch, dass die Breite der Schlitze 4 größer ist als eine minimale Breite der jeweiligen Deformationsstelle 7.

Die angeströmte Randseite 5 ist teilweise gerundet. Dort wo die parallel zur Strömungsrichtung P verlaufenden Schlitze 4 angeordnet sind, ist die dort üblicherweise vorhandene Deformationsstelle 7 quer zur Anströmrichtung durchtrennt. Dort gibt es einen Bereich der Randseite 5 der senkrecht zur Anströmrichtung P steht. Die der Randseite 5 benachbarten Schlitze 4 sind nicht zur Randseite 5 offen wie beim Ausführungsbeispiel der Figur 8, sondern geschlossen. Optional ist es möglich, zusätzliche Aussparungen vorzusehen, wie sie in Figur 7 gezeigt sind.

Auf der gegenüberliegenden Randseite 6, die der Strömungsrichtung P abgewandt ist, befinden sich gerundete Bereiche im Bereich der Öffnungen 2, wie es auch in Figur 7 gezeigt ist. Die der Randseite 6 benachbarten Schlitze 4 enden in einer Deformationsstelle 7, die gleichzeitig Bestandteil der Randseite 6 ist. Anders als an der angeströmten Seite 5 ist die Deformationsstelle 7 jedoch nicht quer zur Strömungsrichtung P abgeschnitten, sondern weist eine konkave Einbuchtung 26 auf. Die Deformationsstelle 7 ist in diesem Bereich dadurch etwas stärker ausgebildet als auf der angeströmten Randseite 5 was an den eckseitigen Flörnern der konkaven Einbuchtung 26 zu erkennen ist. Hier ist mehr Material vorhanden als an der angeströmten Randseite 5. Die angeströmte Randseite 5 verhält sich im Bereich der dortigen Deformationsstellen 7 daher weniger biegesteif, als die Deformationsstellen 7 auf der gegenüberliegenden, abströmseitigen Randseite 6. Dieses Konzept der unterschiedlichen Biegesteifigkeiten der Rippe 1 im Verhältnis zwischen der anströmseitigen Randseite 5 bzw. der abströmseitigen Randseite 6 wurde auch bei dem Ausführungsbeispiel der Figur 8 verfolgt. Grundsätzlich sollte sich die Rippe 1 anströmseitig nachgiebiger verhalten, als abströmseitig, um einem in Strömungsrichtung verlaufenden Temperaturgradienten innerhalb der Rippe 1 Rechnung zu tragen. Bezuqszeichen:

1 - Rippe, Lamelle

2 - Öffnung

3 - Kragen

4 - Schlitz in 1

5 - Randseite

6 - Randseite

7 - Deformationsstelle

8 - Aussparung

9 - Innenkreis von 7 10- Wärmetauscher 11 - Gaseinlass

12- Gasauslass

13- Kühlrohr

14- Gruppe von 10

15- Gruppe von 10

16- Gruppe von 10

17- Gruppe von 10

18- Gehäuse von 10

19- Umlenkblech von 10

20- Umlenkblech von 10 21 - Umlenkblech von 10 22- Umlenkblech von 10

23 - Rohrboden

24 - Einströmtrichter

25 - Aussparungen

26 - Einbuchtung

B1 - Breite von 4

B2 - Breite von 7 an 8 B3 - minimale Breite von 7 D1 - Durchmesser von 2 D2 - Abstand

D3 - Durchmesser von 8 D4 - Durchmesser an 4 L1 - Länge von 4

M - Mittelpunkt von 4 MLA - Mittellängsachse von 4 P - Strömungsrichtung R1 - Rohrreihe

R2 - Rohrreihe

R3 - Rohrreihe

W - Winkel

Claims

Patentansprüche

1. Wärmetauscher zum Kühlen von Gasen, mit einem Gaseinlass (11 ) und einem Gasauslass (12) und mit mehreren Kühlrohren (13), die zwischen dem Gaseinlass (11 ) und dem Gasauslass (12) angeordnet sind wobei, die Kühlrohre (13) zweier aufeinander folgender Rohrreihen (R1 , R2, R3) quer zur Strömungsrichtung (P) des Gases versetzt angeordnet sind, sowie mit Rippen (1 ), wobei wenigstens eine solche Rippe (1 ) von mehreren der Kühlrohre (13) durchsetzt ist, wobei die Rippen (1 ) Schlitze (4) aufweisen, die im Abstand von Öffnungen (2) zur Aufnahme der Kühlrohre (13) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitze (4) dem Kantenverlauf eines wabenförmigen Sechsecks folgen, wobei die Schlitze (4) jeweils eines Sechsecks eine Öffnung (2) im Abstand (D3) von der Öffnung (2) umgeben, wobei zwischen benachbarten Öffnungen (2) ein einziger Schlitz (4) angeordnet ist, der zu den benachbarten Öffnungen (2) jeweils denselben Abstand (D2) hat, wobei jeder Schlitz (4) mit zumindest einem Ende an einer Deformationsstelle (7) der Rippe (1 ) endet.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitze (4) gerade sind.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Schlitze (4) eine Breite (B1 ) haben, wobei die Breite (B1 ) der Schlitze (4) größer ist als eine minimale Breite (B3) der Deformationsstelle (7).

4. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Gruppen (14 - 17) von Kühlrohren (13) zwischen dem Gaseinlass (11 ) und dem Gasauslass (12) angeordnet sind, wobei wenigstens eine dem Gaseinlass (11 ) benachbarte erste Gruppe (14) von Kühlrohren (13) die besagten Rippen (1 ) durchsetzt.

5. Wärmetauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere der Gruppen (14 - 17) von Kühlrohren (13) die besagten Rippen (1 ) aufweisen.

6. Wärmetauscher nach einem der der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gruppe (14 - 17) von Kühlrohren (13) mindestens zwei Rohrreihen (R1 , R2) umfasst, die in Strömungsrichtung (P) des Gases aufeinander folgen.

7. Wärmtauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen (1 ) in Strömungsrichtung (P) des Gases liegende Randseiten (5, 6) besitzen, wobei wenigstens eine Randseite (5, 6) sägezahnartig profiliert ist, entsprechend dem Verlauf der Schlitze (4).

8. Wärmetauscher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die

Randseiten (5, 6) Aussparungen (8) zur Ausbildung einer

Deformationsstelle (7) mit denjenigen Schlitzen (4) besitzen, die der wenigstens einen Randseite (5, 6) benachbart sind.

9. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen (1 ) eine Dicke von weniger als 0,16 mm haben.

10. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen (1 ) eben sind.

11. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen (1 ) Prägungen zwischen den Öffnungen (2) aufweisen, wobei die Schlitze (4) außerhalb der Prägungen angeordnet sind.

12. Wärmetauscher nach einem der Anspürche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die einander gegenüberliegenden Schlitze (4) eines Sechsecks gleich lang sind, wobei ein Paar der gegenüberliegenden Schlitze (4) eine andere Länge aufweist als die beiden anderen Paare von gegenüberliegenden Schlitzen (4).

13. Wärmetauscher nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die senkrecht zur angeströmten Randseite (5) verlaufenden Schlitze (4) länger sind als die anderen Paare von Schlitzen (4).

14. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass alle Schlitze (4) gleich lang sind.

15. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die eine angestömte Randseite (5) grenzenden Schlitze (4) zu der Randseite (5) offen sind.