DE102005058314A1 - Heat exchanger, especially for motor vehicle internal combustion engine, has second channel with several tubes in group wound in helical shape about common imaginary rod - Google Patents

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Abstract

The device has a first channel through which a first heat exchange medium flows and a second channel (18) in a heat exchange region of the heat exchanger within the first channel and through which a second heat exchange medium flows. The second channel has several tubes (26) in a group (28) wound in a helical shape about a common imaginary rod.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere einen Wärmetauscher nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, und speziell einen solchen Wärmetauscher als AGR-Kühler für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs.The The invention relates to a heat exchanger, in particular a heat exchanger according to the preamble of claim 1, and especially such a heat exchanger as EGR cooler for one Internal combustion engine of a motor vehicle.

Abgasrückführ-(AGR-)Kühler für Verbrennungsmotoren zum Kühlen eines zum Verbrennungsmotor rückgeführten Abgasstroms sind grundsätzlich und in vielfältigen Ausführungsformen bekannt. Problematisch bei solchen AGR-Kühlern ist der begrenzte zur Verfügung stehende Bauraum und die steigenden Kühlanforderungen.Exhaust gas recirculation (EGR) radiator for internal combustion engines for cooling a recirculated to the engine exhaust gas flow are basically and in diverse embodiments known. The problem with such EGR coolers is the limited to disposal standing space and the increasing cooling requirements.

Die DE 103 49 887 A1 offenbart einen AGR-Kühler mit einem stark profilierten Abgasrohr, um die Oberfläche des Abgasrohrs und damit auch die Wärmetauschfläche zwischen dem durch das Abgasrohr strömenden Abgas und dem das Abgasrohr umströmenden Kühlmittel zu vergrößern, wodurch eine kürzere Baulänge bzw. eine höhere Kühlleistung des AGR-Kühlers im Vergleich zu glattwandigen Abgasrohren erzielt werden kann.The DE 103 49 887 A1 discloses an EGR cooler with a highly profiled exhaust pipe to increase the surface of the exhaust pipe and thus also the heat exchange surface between the exhaust gas flowing through the exhaust pipe and the coolant flowing around the exhaust pipe, resulting in a shorter overall cooling capacity of the EGR cooler can be achieved compared to smooth-walled exhaust pipes.

Es ist weiter bekannt, innerhalb des Außenrohrs, durch welches das Kühlmittel geleitet wird, eine Vielzahl parallel angeordneter Abgasrohre mit entsprechend kleineren Durchmessern anzuordnen. Durch diese Konstruktion wird ebenfalls die Gesamtoberfläche der Abgasrohre vergrößert, was eine Verkürzung der Baulänge bzw. eine Erhöhung der Kühlleistung des AGR-Kühlers im Vergleich zu einem Abgasrohr großen Durchmessers ermöglicht.It is further known within the outer tube, through which the coolant is passed, a plurality of parallel exhaust pipes with accordingly to arrange smaller diameters. This construction will also the total surface the exhaust pipes enlarged what a shortening the length or an increase the cooling capacity of the EGR cooler compared to a large diameter exhaust pipe.

Auf dem allgemeinen Gebiet der Wärmetauschtechnik sind ferner so genannte Wendelwärmetauscher bekannt, wie sie beispielsweise in der EP 0 553 238 B1 beschrieben sind. Bei einem solchen Wendelwärmetauscher ist um ein mittleres geradliniges Rohr, durch das ein erstes Wärmetauschmedium strömt, wenigstens ein zweites Rohr, durch das ein zweites Wärmetauschmedium strömt, schraubenförmig gewickelt, um die Wärmetauschfläche zwischen den ersten und den zweiten Rohren zu vergrößern und einen kompakten Wärmetauscher zu bilden.In the general field of heat exchange technology so-called helical heat exchangers are also known, as for example in the EP 0 553 238 B1 are described. In such a helical heat exchanger, at least a second pipe through which a second heat exchange medium flows is helically wound around a middle straight pipe through which a first heat exchange medium flows, to increase the heat exchange area between the first and second pipes and to provide a compact heat exchanger form.

Weiter beschreibt die DE 29 12 132 C2 einen Wärmetauscher für Wärmepumpenanlagen mit einem ersten Kanal für Wasser als Wärmeträger, durch den ein zweiter Kanal für ein Kühlmittel geführt ist. Dieser zweite Kanal für das Kühlmittel ist als schraubenförmiges Rohr gebildet, dessen Schraubenachse parallel zur Längsachse des ersten Kanals verläuft.Next describes the DE 29 12 132 C2 a heat exchanger for heat pump systems with a first channel for water as a heat transfer medium through which a second channel is guided for a coolant. This second channel for the coolant is formed as a helical tube whose screw axis is parallel to the longitudinal axis of the first channel.

Die WO 2004/068054 A1 zeigt einen Wärmetauscher mit einem ersten Kanal für ein erstes Wärmetauschmedium, in dem ein zweiter Kanal für ein zweites Wärmetauschmedium angeordnet ist, wobei der zweite Kanal durch ein schraubenförmiges Rohr gebildet ist, das um einen mittigen Stab gewickelt ist, dessen Oberfläche profiliert ist, um Turbulenzen im Strom des ersten Wärmetauschmediums zu erzeugen.The WO 2004/068054 A1 shows a heat exchanger with a first channel for a first heat exchange medium, in which a second channel for a second heat exchange medium is arranged, wherein the second channel formed by a helical tube is wound around a central bar whose surface is profiled is to generate turbulence in the flow of the first heat exchange medium.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Wärmetauscher von kompakter Bauweise und mit einer hohen Wärmetauschleistung bereitzustellen.It It is an object of the present invention to provide a heat exchanger to provide a compact design and with a high heat exchange performance.

Diese Aufgabe wird durch einen Wärmetauscher mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.These Task is performed by a heat exchanger solved with the features of claim 1. Advantageous developments and embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.

Der Wärmetauscher enthält einen ersten Kanal, durch den ein erstes Wärmetauschmedium strömt; und einen zweiten Kanal, der zumindest in einem Wärmetauschbereich des Wärmetauschers innerhalb des ersten Kanals angeordnet ist und durch den ein zweites Wärmetauschmedium strömt. Der zweite Kanal weist mehrere Rohre auf, die in einer Gruppe schraubenförmig um einen gemeinsamen imaginären Stab gewickelt sind.Of the heat exchangers contains a first channel through which a first heat exchange medium flows; and a second channel, at least in a heat exchange region of the heat exchanger is disposed within the first channel and through the second Heat exchange medium flows. The second channel has a plurality of tubes helically around in a group a common imaginary Rod are wound.

Durch die schraubenförmige Wicklung der Stäbe kann die Baulänge des Wärmetauschers für eine gleich bleibende Wärmetauschleistung verkürzt bzw. die Wärmetauschleistung für eine gleich bleibende Baulänge des Wärmetauschers erhöht werden. Aufgrund der Wicklung mehrere Rohre um einen gemeinsamen imaginären Stab wird dieser Effekt gegenüber der Anordnung nur eines schraubenförmigen Rohrs deutlich verstärkt und die Kompaktheit der Anordnung beträchtlich erhöht. Durch die Wicklung der Rohre um einen imaginären Stab werden die Rohre allseitig direkt von dem ersten Wärmetauschmedium umströmt, was die Wärmetauschleitung gegenüber zum Beispiel einem Wendelwärmetauscher deutlich verbessert.By the helical Winding of the bars can the length of the heat exchanger for one consistent heat exchange performance shortened or the heat exchange performance for one constant length of the heat exchanger elevated become. Due to the winding several tubes around a common imaginary Staff will face this effect the arrangement of only a helical tube significantly reinforced and considerably increases the compactness of the arrangement. By winding the Pipes around an imaginary Stab the pipes are all sides directly from the first heat exchange medium flows around, what the heat transfer line across from for example, a spiral heat exchanger clearly improved.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die mehreren Rohre des zweiten Kanals in mehreren Gruppen in Strömungsrichtung des zweiten Wärmetauschmediums nebeneinander angeordnet, wobei in den Gruppen jeweils mehrere Rohre schraubenförmig um einen gemeinsamen imaginären Stab gewickelt sind. Durch diese Konstruktion werden die Vorteile des obigen Aufbaus mit denen einer Anordnung einer Vielzahl parallel verlaufender Rohre kombiniert.In a preferred embodiment invention, the multiple tubes of the second channel in several Groups in the flow direction the second heat exchange medium arranged side by side, wherein in the groups each have a plurality of tubes helically around a common imaginary Rod are wound. Through this construction, the advantages of above construction with those of a plurality arrangement in parallel running pipes combined.

Die wenigstens eine Gruppe von Rohren umfasst vorzugsweise drei Rohre. Im Rahmen der Erfindung können die Gruppen aber auch nur zwei oder mehr als drei schraubenförmig gewickelte Rohre je Gruppe aufweisen.The at least one group of tubes preferably comprises three tubes. Within the scope of the invention the groups but also only two or more than three helically wound Have tubes per group.

Um die Wärmetauschleistung weiter zu erhöhen, können die mehreren Rohre zusätzlich eine profilierte Außenwandung aufweisen.Around the heat exchange performance continue to increase can the more tubes in addition a profiled outer wall exhibit.

Der Wärmetauscher der vorliegenden Erfindung findet in besonders vorteilhafter Weise als ein AGR-Kühler für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs Anwendung, wobei in diesem Fall das erste Wärmetauschmedium ein Kühlfluid und das zweite Wärmetauschmedium ein Abgas des Verbrennungsmotors ist.Of the heat exchangers The present invention finds in a particularly advantageous manner as an EGR cooler for one Internal combustion engine of a motor vehicle application, wherein in this Case the first heat exchange medium a cooling fluid and the second heat exchange medium an exhaust gas of the internal combustion engine is.

Obige sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten, nicht-einschränkenden Ausführungsbeispielen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen besser verständlich. Darin zeigen:Above and other features and advantages of the invention will become apparent from the following description of preferred, non-limiting embodiments of the invention with reference to the accompanying drawings better understandable. Show:

1 eine schematische Darstellung des grundsätzlichen Aufbaus eines Wärmetauscher, bei dem die vorliegende Erfindung angewendet werden kann; 1 a schematic representation of the basic structure of a heat exchanger to which the present invention can be applied;

2 eine Teilperspektivansicht eines zweiten Kanals eines Wärmetauschers gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; 2 a partial perspective view of a second channel of a heat exchanger according to a first preferred embodiment of the present invention;

3 eine Teilperspektivansicht eines zweiten Kanals eines Wärmetauschers gemäß einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und 3 a partial perspective view of a second channel of a heat exchanger according to a second preferred embodiment of the present invention; and

4 eine ausschnittweise Querschnittsdarstellung des zweiten Kanals des Wärmetauschers von 3. 4 a partial cross-sectional view of the second channel of the heat exchanger of 3 ,

1 zeigt als ein Beispiel eines Wärmetauschers, bei dem die vorliegende Erfindung in vorteilhafter Weise anwendbar ist, einen AGR-Kühler, der Teil eines dem Fachmann bekannten Abgasrückführ-(AGR-)Systems für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs ist. Da auch der grundsätzliche Aufbau und die Funktionsweise eines solchen AGR-Kühlers dem Fachmann bereits hinlänglich bekannt sind, wird der allgemeine Aufbau des Wärmetauschers anhand von 1 nur kurz beschrieben. 1 shows, as an example of a heat exchanger to which the present invention is advantageously applicable, an EGR cooler that is part of an exhaust gas recirculation (EGR) system for an internal combustion engine of a motor vehicle known to those skilled in the art. Since the basic structure and operation of such an EGR cooler to those skilled in the art are already well known, the general structure of the heat exchanger is based on 1 only briefly described.

Der AGR-Kühler 10 besteht aus einem mittleren Wärmeübertragungsbereich 12, an den sich in der Abgasströmungsrichtung (Pfeile A) stromauf ein Abgaseintrittsbereich 14 und stromab ein Abgasaustrittsbereich 16 anschließen. Diese Komponenten 12–16 sind vorzugsweise von einem gemeinsamen Gehäuse umschlossen.The EGR cooler 10 consists of a medium heat transfer area 12 to which an exhaust gas inlet region upstream in the exhaust gas flow direction (arrows A) 14 and downstream of an exhaust gas outlet area 16 connect. These components 12 - 16 are preferably enclosed by a common housing.

In dem Wärmeübertragungsbereich 12 ist ein Abgaskanal 18 (der zweite Kanal der vorliegenden Erfindung) zwischen dem Abgaseintrittsbereich 14 und dem Abgasaustrittsbereich 16 angeordnet, sodass Abgase (als das zweite Wärmetauschmedium der vorliegenden Erfindung) von dem Verbrennungsmotor den AGR-Kühler 10 durch den Abgaseintrittsbereich 14 → den Abgaskanal 18 → den Abgasaustrittsbereich 16 durchströmen.In the heat transfer area 12 is an exhaust duct 18 (the second channel of the present invention) between the exhaust gas inlet portion 14 and the exhaust outlet area 16 arranged so that exhaust gases (as the second heat exchange medium of the present invention) from the internal combustion engine, the EGR cooler 10 through the exhaust gas inlet area 14 → the exhaust duct 18 → the exhaust gas outlet area 16 flow through.

Der Wärmeübertragungsbereich 12 enthält ferner ein zum Beispiel zylindrisches Außenrohr 20 (der erste Kanal der vorliegenden Erfindung), das den Abgaskanal 18 radial vollständig umschließt. Dieses Außenrohr 20 ist gegenüber dem Abgaseintrittsbereich 14, dem Abgasaustrittsbereich 16 und dem Abgaskanal 20 fluiddicht getrennt. Das Außenrohr 20 weist ferner einen Eintrittsstutzen 22 und einen Austrittsstutzen 24 auf, sodass ein Kühlmittel (als das erste Wärmetauschmedium der vorliegenden Erfindung) von dem Eintrittstutzen 22 in das Außenrohr 20 einströmt und von dem Austrittsstutzen 24 aus dem Außenrohr 20 ausströmt (Pfeile B), nachdem es mit dem Abgaskanal 18 bzw. dem durch den Abgaskanal strömenden Abgas einen Wärmeaustausch durchgeführt und das Abgas so gekühlt hat. Wie in 1 dargestellt, ist der Abgaskanal 18 zumindest im Wärmeübertragungsbereich 12 innerhalb des Außenrohrs 20 angeordnet.The heat transfer area 12 Also includes, for example, a cylindrical outer tube 20 (the first channel of the present invention), which is the exhaust duct 18 completely encloses radially. This outer tube 20 is opposite the exhaust inlet area 14 , the exhaust outlet area 16 and the exhaust duct 20 fluid-tightly isolated. The outer tube 20 also has an inlet nozzle 22 and an outlet 24 so that a coolant (as the first heat exchange medium of the present invention) from the inlet port 22 in the outer tube 20 flows in and from the outlet nozzle 24 from the outer tube 20 emanates (arrows B) after it with the exhaust duct 18 or the exhaust gas flowing through the exhaust gas has carried out a heat exchange and the exhaust gas has cooled so. As in 1 shown, is the exhaust duct 18 at least in the heat transfer area 12 inside the outer tube 20 arranged.

Bezug nehmend auf 2 wird nun ein Abgaskanal bzw. zweiter Kanal 18 eines ersten Ausführungsbeispiels näher erläutert.Referring to 2 Now an exhaust duct or second channel 18 a first embodiment explained in more detail.

Der Abgaskanal 18 ist durch drei Rohre 26 gebildet, die in einer Gruppe 28 schraubenförmig und parallel zueinander um einen gemeinsamen imaginären, geradlinigen Stab gewickelt sind. Zur Herstellung werden die drei Rohre 26 zum Beispiel um einen geradlinigen Stab gewickelt und der Stab anschließend entfernt. Ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, kann der Stab auch in gebogener Form ausgestaltet sein. Insbesondere ist es auch möglich, den Stab seinerseits schraubenförmig auszugestalten.The exhaust duct 18 is through three pipes 26 formed in a group 28 helically and parallel to each other around a common imaginary, straight rod are wound. To manufacture the three tubes 26 for example, wrapped around a straight rod and then removed the rod. Without departing from the scope of the invention, the rod may also be designed in a curved shape. In particular, it is also possible to design the rod in turn helical.

Wie in 2 zu erkennen, bilden die drei Rohre 26 eine sehr kompakte Anordnung für den zweiten Kanal 18. Außerdem werden die drei Rohre 26 allseitig von dem ersten Wärmetauschmedium im Außenrohr 20 umströmt, da auch zwischen den einzelnen Rohren 26 ausreichend Zwischenräume vorhanden sind.As in 2 to recognize form the three tubes 26 a very compact arrangement for the second channel 18 , In addition, the three pipes 26 on all sides of the first heat exchange medium in the outer tube 20 flows around, as well as between the individual tubes 26 sufficient spaces are available.

Die Konstruktion des zweiten Kanals 18 gemäß der Ausführungsform von 2 ermöglicht die Verkürzung der Baulänge des Wärmetauschers 10 in der Strömungsrichtung des zweiten Wärmetauschmediums bei gleich bleibender Kühlleistung bzw. eine Erhöhung der Kühlleistung des Wärmetauschers 10 bei gleich bleibender Baulänge.The construction of the second channel 18 according to the embodiment of 2 allows the shortening of the length of the heat exchanger 10 in the flow direction of the second heat exchange medium with constant cooling capacity or an increase in the cooling capacity of the heat exchanger 10 at the same length.

3 und 4 zeigen in Weiterbildung der Konstruktion von 2 einen zweiten Kanal 18 des Wärmetauschers 10 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. 3 and 4 show in the training of Construction of 2 a second channel 18 of the heat exchanger 10 according to a second embodiment of the invention.

Die in 2 dargestellt Gruppe 28 aus drei Rohren 26 wird vervielfältigt, sodass der zweite Kanal 18 aus einem Bündel von mehreren Gruppen 28 gebildet ist, die jeweils gemäß der obigen Ausführungsform von 2 aufgebaut sind. Die mehreren Gruppen 28 sind dabei in der Strömungsrichtung des zweiten Wärmetauschmediums im wesentlich parallel zueinander und nebeneinander angeordnet.In the 2 presented group 28 from three tubes 26 is duplicated, so the second channel 18 from a bunch of several groups 28 is formed, each according to the above embodiment of 2 are constructed. The several groups 28 are arranged in the flow direction of the second heat exchange medium substantially parallel to each other and side by side.

Wie insbesondere in der Querschnittsdarstellung von 4 erkennbar, bildet der zweite Kanal 18 ausreichend Zwischenräume zwischen den einzelnen Rohrgruppen 28, zwischen den einzelnen Rohren 26 einer Gruppe 28 und innerhalb einer Rohrgruppe 28, durch die das erste Wärmetauschmedium in dem ersten Kanal 20 strömen kann.As in particular in the cross-sectional representation of 4 recognizable, forms the second channel 18 sufficient gaps between the individual pipe groups 28 , between the individual pipes 26 a group 28 and within a pipe group 28 through which the first heat exchange medium in the first channel 20 can flow.

Die oben in Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel genannten Vorteile werden hier ebenfalls erzielt und sogar noch weiter verbessert.The above in connection with the first embodiment mentioned advantages are also achieved here and even further improved.

Während die Erfindung oben anhand von zwei bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen vollständig beschrieben worden ist, ist es selbstverständlich, dass für den Fachmann zahlreiche Ab wandlungen und Modifikationen innerhalb des durch die anhängenden Ansprüche definierten Schutzumfangs offensichtlich sein werden.While the Invention above with reference to two preferred embodiments with reference has been fully described in the attached drawings, it goes without saying that for the skilled person from Ab conversions and modifications within of the attached claims scope of protection will be obvious.

Während zum Beispiel in den obigen Ausführungsbeispielen die Gruppen 28 jeweils aus drei Rohren 26 gebildet sind, kann eine Gruppe 28 selbstverständlich auch aus nur zwei Rohren 26 oder aus mehr als drei Rohren 26 gebildet werden.While, for example, in the above embodiments, the groups 28 each of three tubes 26 are formed, can be a group 28 of course also from only two pipes 26 or from more than three pipes 26 be formed.

Ferner können die Rohre 26 modifiziert werden, um ihre Oberflächen und damit die Wärmeübertragungsfläche zu vergrößern und/oder zusätzliche Turbulenzen in dem Strom des ersten Wärmetauschmediums zu erzeugen, ohne dass dies in den Zeichnungen ausdrücklich veranschaulicht ist. Beispielsweise können die Außenwandungen der Rohre 26 profiliert sein.Furthermore, the pipes can 26 be modified to increase their surfaces and thus the heat transfer surface and / or to generate additional turbulence in the flow of the first heat exchange medium, without being explicitly illustrated in the drawings. For example, the outer walls of the tubes 26 be profiled.

Claims (5)

Wärmetauscher (10), mit einem ersten Kanal (20), durch den ein erstes Wärmetauschmedium strömt; und einem zweiten Kanal (18), der zumindest in einem Wärmetauschbereich (12) des Wärmetauschers (10) innerhalb des ersten Kanals (20) angeordnet ist und durch den ein zweites Wärmetauschmedium strömt, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kanal (18) mehrere Rohre (26) aufweist, die in einer Gruppe (28) schraubenförmig um einen gemeinsamen imaginären Stab gewickelt sind.Heat exchanger ( 10 ), with a first channel ( 20 ) through which a first heat exchange medium flows; and a second channel ( 18 ), at least in a heat exchange area ( 12 ) of the heat exchanger ( 10 ) within the first channel ( 20 ) and through which flows a second heat exchange medium, characterized in that the second channel ( 18 ) several tubes ( 26 ), which are in a group ( 28 ) are helically wrapped around a common imaginary rod. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Rohre (26) des zweiten Kanals (18) in mehreren Gruppen (28) in Strömungsrichtung des zweiten Wärmetauschmediums nebeneinander angeordnet sind, in denen jeweils mehrere Rohre (26) schraubenförmig um einen gemeinsamen imaginären Stab gewickelt sind.Heat exchanger according to claim 1, characterized in that the plurality of tubes ( 26 ) of the second channel ( 18 ) in several groups ( 28 ) are arranged side by side in the flow direction of the second heat exchange medium, in each case a plurality of tubes ( 26 ) are helically wrapped around a common imaginary rod. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Gruppe (28) von Rohren (26) drei Rohre (26) umfasst.Heat exchanger according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one group ( 28 ) of pipes ( 26 ) three pipes ( 26 ). Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Rohre (26) eine profilierte Außenwandung aufweisen.Heat exchanger according to one of the preceding claims, characterized in that the plurality of tubes ( 26 ) have a profiled outer wall. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (10) ein AGR-Kühler für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs ist, das erste Wärmetauschmedium ein Kühlfluid ist, und das zweite Wärmetauschmedium ein Abgas des Verbrennungsmotors ist.Heat exchanger according to one of the preceding claims, characterized in that the heat exchanger ( 10 ) is an EGR cooler for an internal combustion engine of a motor vehicle, the first heat exchange medium is a cooling fluid, and the second heat exchange medium is an exhaust gas of the internal combustion engine.
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