DE19654368A1 - Wärmeübertrager, insbesondere Abgaswärmeübertrager - Google Patents

Wärmeübertrager, insbesondere Abgaswärmeübertrager

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Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager, insbesondere einen Abgaswärmeübertrager, mit einem zur Gasführung dienen­ den Rohrbündel aus Rechteckrohren und mit einem das Rohrbün­ del umgebenden, zur Führung eines flüssigen Kühlmittels die­ nenden Außenmantel, der mit einem Kühlmitteleintritt und ei­ nem Kühlmittelaustritt versehen ist.
Ein Wärmeübertrager der eingangs genannten Art ist Gegenstand der älteren, nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmel­ dung P 195 40 683.4.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmeübertra­ ger der eingangs genannten Art so auszubilden, daß die Recht­ eckrohre und gegebenenfalls auch der Außenmantel mit geringen Wandstärken realisiert werden können, während dennoch eine ausreichende Festigkeit gegeben ist, auch wenn das gasförmige Medium und/oder das flüssige Kühlmittel unter einem gewissen Druck zugeführt werden.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Rechteckrohre mit nach außen gerichteten Vorsprüngen versehen sind, die den Ab­ stand benachbarter Rechteckrohre zueinander und zu der Innen­ wand des Außenmantels bestimmen.
Bei der Erfindung stützen sich die Rechteckrohre bei der Mon­ tage zu einem Bündel gegenseitig ab. Die äußeren Rechteckroh­ re des Rohrbündels stützen sich an dem Außenmantel ab. Durch diese Ausbildung wird erreicht, daß Rechteckrohre mit einer geringen Wandstärke Verwendung finden können, und dennoch ei­ ne hohe Druckfestigkeit erreicht wird. Die Vorsprünge beein­ flussen außerdem die Strömung des flüssigen Kühlmittels, so daß der Wärmeübergang verbessert wird. Da ein stetiger Aus­ tausch des flüssigen Kühlmittels erfolgt, wird eine Q2-Dif­ fusion verhindert, die eine Spaltkorrosion verursachen könnte.
In Ausgestaltung der Erfindung wird vorgesehen, daß die Rechteckrohre aus zwei U-förmigen Halbschalen zusammengesetzt sind, deren Böden mit geprägten Vorsprüngen versehen sind. Durch diese Ausbildung der Rechteckrohre ist eine wirtschaft­ liche Fertigung möglich.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgesehen, daß die Vorsprünge eine ovale Grundfläche aufweisen, deren größte Abmessung in Strömungsrichtung verläuft. Vorteilhaft wird da­ bei weiter vorgesehen, daß die Vorsprünge quer zur Strömungs­ richtung einen im wesentlichen halbzylindrischen Querschnitt aufweisen. Derartige Vorsprünge lassen sich einfach formen, während sie den Vorteil bieten, daß eine linienförmige Ab­ stützung an dem jeweils anderen Rechteckrohr erhalten wird.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgesehen, daß die Böden der Halbschalen mit in Strömungsrichtung V-förmig auseinanderlaufenden raschen versehen sind. Dabei wird weiter zweckmäßig vorgesehen, daß die Vorsprünge und die raschen in regelmäßigen Abständen aufeinanderfolgend angeordnet sind. Zweckmäßig wird die Anordnung so getroffen, daß die Vorsprün­ ge der einen Halbschale gegenüberliegend von Laschen der an­ deren Halbschale angeordnet sind. Damit wird sichergestellt, daß günstige Strömungsverhältnisse auch innerhalb der Recht­ eckrohre bestehen, während das Anbringen der Vorsprünge das Anbringen der Laschen nicht stört.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgesehen, daß die Rechteckrohre aufgetulpt und gasdicht miteinander verbun­ den sind. Damit wird ein Ersatz für einen Rohrboden geschaf­ fen, der zu einer wesentlichen Gewichtseinsparung und außer­ dem noch zu einer vereinfachten Herstellung führt.
Um den Außenmantel einfach herzustellen, wird vorgesehen, daß der Außenmantel aus zwei vorzugsweise tiefgezogenen Blech­ schalen zusammengesetzt ist, die in Längsrichtung des Rohr­ bündels derart profiliert sind, daß sie mit einem der Höhe der Vorsprünge der Rechteckrohre entsprechenden Abstand der Außenkontur des Rohrbündels folgen. Dadurch wird sicherge­ stellt, daß auch im Bereich der äußeren Rechteckrohre des Rohrbündels Strömungskanäle vorhanden sind, die im wesentli­ chen den Querschnitten der Strömungskanäle zwischen den übri­ gen Rechteckrohren entsprechen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgesehen, daß die Blechschalen im Bereich der Enden des Rohrbündels jeweils einen umlaufenden Ringkanal bilden, wobei an einen Ringkanal ein Kühlmitteleintritt und an den anderen Ringkanal einen Kühlmittelaustritt angeformt sind, und wobei vorzugsweise der Kühlmitteleintritt und der Kühlmittelaustritt einander in et­ wa diagonal gegenüberliegen. Die Ringkanäle sorgen für eine gute Verteilung des flüssigen Kühlmittels. Wenn der Kühlmit­ teleintritt und der Kühlmittelaustritt einander in etwa dia­ gonal gegenüberliegen, ergeben sich im wesentlichen gleich lange Kühlmittelkanäle, so daß ein gleichmäßiger Wärmeüber­ gang im gesamten Bereich des Wärmeübertragers erhalten wird.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung des in der Zeichnung darge­ stellten Ausführungsbeispiels.
Fig. 1 zeigt einen Teil-Längsschnitt durch einen erfindungs­ gemäßen Abgaswärmeübertrager im Bereich eines Endes,
Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie II-II der Fig. 1,
Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie III-III der Fig. 1,
Fig. 4 eine Seitenansicht eines Ausschnittes von drei Recht­ eckrohren eines erfindungsgemäßen Abgaswärmeübertra­ gers in größerem Maßstab und
Fig. 5 eine Stirnansicht eines einzelnen Rechteckrohres der Fig. 4.
Der in der Zeichnung dargestellte Abgaswärmetauscher besitzt ein Rohrbündel 10 aus einer Vielzahl von untereinander glei­ chen Rechteckrohren, die in gleichmäßigen Abständen derart angeordnet sind, daß sie annähernd die Kontur einer Ellipse bilden. Die Rechteckrohre des Rohrbündels 10, die später an­ hand von Fig. 4 und 5 noch erläutert werden, sind bei dem Ausführungsbeispiel an ihren Enden aufgetulpt, d. h. derart aufgeweitet, daß sie an dem Bereich der Enden flächig gegen­ einander anliegen. Wie aus Fig. 3 zu ersehen ist, sind diese aufgetulpten Enden miteinander gasdicht verbunden, beispiels­ weise durch Schweißen oder Löten.
Das Rohrbündel 10 ist mit einem Außenmantel 11 umgeben, der aus zwei vorzugsweise tiefgezogenen Blechschalen 12, 13 zu­ sammengefügt ist. Die beiden Blechschalen 12, 13, die an Flanschen 14, 15 dicht miteinander verbunden sind, beispiels­ weise verschweißt oder verlötet, sind derart stufenförmig ge­ formt, daß sie der von den äußeren Rechteckrohren des Rohr­ bündels 10 gebildeten Außenkontur folgen und zu diesen äuße­ ren Rechteckrohren einen Abstand einhalten, der im wesentli­ chen dem Abstand der Rechteckrohre des Rohrbündels 10 unter­ einander entspricht. Im Bereich der Enden der Rechteckrohre des Rohrbündels 10 besitzen sie eine umlaufende Vertiefung, so daß sie in diesem Bereich an den Enden der Rechteckrohre des Rohrbündels 10 anliegen und mit diesen gasdicht verbunden sind, beispielsweise verschweißt oder gelötet.
Im Bereich der Enden der Rechteckrohre des Rohrbündels 10 sind die beiden Blechschalen mit Ausprägungen versehen, die einen umlaufenden Ringkanal 16 bilden. An einen dieser Ring­ kanäle 16 ist ein Kühlmitteleintritt 17 und an den anderen, am anderen Ende des Rohrbündels 10 befindlichen Ringkanal ist ein Kühlmittelaustritt 18 angeformt. Wie aus Fig. 2 zu erse­ hen ist, liegen der Kühlmitteleintritt 17 und der Kühlmittel­ austritt 18 einander im wesentlichen diagonal gegenüber, so daß sich im wesentlichen gleich lange Strömungskanäle für das flüssige Kühlmittel ergeben.
Das Rohrbündel 10 besteht aus einer Vielzahl von Rechteckroh­ ren 19, bei dem Ausführungsbeispiel insgesamt vierundsechzig Rechteckrohre 19, die spiegelsymmetrisch zur vertikalen und zur horizontalen Längsmittelebene angeordnet sind und die sich mit ihren Flachseiten in horizontaler Richtung und mit ihren Schmalseiten in vertikaler Richtung erstrecken. Diese Rechteckrohre 19 sind in Fig. 4 und 5 in größerem Maßstab dargestellt. Jedes Rechteckrohr 19 ist aus zwei U-förmigen Halbschalen 20, 21 zusammengesetzt, die an ihren Schenkeln miteinander verbunden sind, vorzugsweise verschweißt sind. Die Böden der Halbschalen 20, 21 sind jeweils in ihrer Mitte mit in regelmäßigen Abständen angeordneten, nach außen ragen­ den, geprägten Vorsprüngen 22 versehen. Die Vorsprünge 22 be­ sitzen eine im wesentlichen ovale Grundfläche in der Ebene der Böden der Halbschalen 20, 21 und sind mit einem in etwa halbzylindrischen Querschnitt nach außen ausgeprägt. Die Höhe dieser Vorsprünge 22 entspricht dem Abstand zwischen den Bö­ den zweier benachbarter Rechteckrohre 19. In der Praxis be­ trägt diese Höhe etwa 1,5 mm, bei einer Gesamthöhe die Recht­ eckrohre von etwa 6 mm.
Die Halbschalen 20, 21 sind innen mit nach innen ragenden La­ schen 23, 24 versehen, die sich etwa über ein Viertel der In­ nenhöhe eines Flachrohres erstrecken. Diese Laschen 23, 24, die etwa eine Höhe von einem Viertel der Innenhöhe eines Rechteckrohres 19 aufweisen, laufen V-förmig in Strömungs­ richtung unter einen Winkel in der Größenordnung von 40∘ aus­ einander, wobei die vorderen Enden dieser Laschen 23, 24 zwischen sich einen Abstand belassen.
Die paarweise angeordneten Laschen 23, 24 sind in regelmäßi­ gen Abständen über die Länge der Rechteckrohre 19 verteilt angeordnet. Der Abstand zwischen den Paaren der Laschen 23, 24 in Längsrichtung der Rechteckrohre 19 entspricht im we­ sentlichen dem Abstand der Vorsprünge 22. Wie aus Fig. 4 zu ersehen ist, sind die Halbschalen 20, 22 eines Rechteckrohres in axialer Richtung derart zueinander versetzt, daß einem nach außen gerichteten Vorsprung 22 der einen Schale 20 ein Laschenpaar 23, 24 der anderen Halbschale 21 gegenüberliegt. Die Rechteckrohre 19 sind untereinander gleich ausgebildet und so angeordnet, daß sie untereinander mittels der Vor­ sprünge 22 in der halben Teilung der Vorsprünge 22 eines Rechteckrohres 19 gegenseitig abgestützt sind.
Bei einer abgewandelten Ausführungsform werden die Enden der Rechteckrohre des Rohrbündels nicht verformt, d. h. nicht auf­ getulpt. Sie sind vielmehr mit beiden Enden in Rohrböden ein­ gesteckt und mit diesen durch Löten oder Schweißen fest und gasdicht verbunden. Ein derartiger Rohrboden stellt ein Git­ ter dar, das der Außenkontur des Außenmantels 11 folgt und mit Aussparungen entsprechend der Rechteckrohre des Rohrbün­ dels 10 versehen ist. Diese Rohrböden werden dann gasdicht in den Außenmantel 11 eingeschweißt.

Claims (12)

1. Wärmeübertrager, insbesondere Abgaswärmeübertrager mit einem zur Gasführung dienenden Rohrbündel aus Rechteck­ rohren und mit einem das Rohrbündel umgebenden, zur Führung eines flüssigen Kühlmittels dienenden Außenman­ tel, der mit einem Kühlmitteleintritt und mit einem Kühlmittelaustritt versehen ist, dadurch gekennzeich­ net, daß die Rechteckrohre (19) mit nach außen gerich­ teten Vorsprüngen (22) versehen sind, die den Abstand der benachbarten Rechteckrohre (19) zueinander und zu der Innenwand des Außenmantels (11) bestimmen.
2. Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Rechteckrohre (19) aus zwei U-förmigen Halbschalen (20, 21) zusammengesetzt sind, deren Böden mit geprägten Vorsprüngen (22) versehen sind.
3. Wärmeübertrager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Vorsprünge (22) in einer Reihe mittig in den Böden der Halbschalen (20, 21) angeordnet sind.
4. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge (22) eine ova­ le Grundfläche aufweisen, deren größte Abmessung in Strömungsrichtung verläuft.
5. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge (22) quer zur Strömungsrichtung einen im wesentlichen halbzylindri­ schen Querschnitt aufweisen.
6. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die Böden der Halbschalen (20, 21) mit paarweise angeordneten, in Strömungsrich­ tung V-förmig auseinanderlaufenden Laschen (23, 24) versehen sind.
7. Wärmeübertrager nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die Vorsprünge (22) und die Paare von Laschen (23, 24) in regelmäßigen Abständen aufeinanderfolgend angeordnet sind.
8. Wärmeübertrager nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Vorsprünge (22) der einen Halbschale (20, 21) gegenüberliegend von Paaren von Laschen (23, 24) der anderen Halbschale (21, 20) angeordnet sind.
9. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß die Enden der Rechteckrohre (19) des Rohrbündels (10) gasdicht in Rohrböden gehalten sind
10. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß die Enden der Rechteckrohre (19) des Rohrbündels (10) aufgetulpt und gasdicht mit­ einander und dem Außenmantel (11) verbunden sind.
11. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, daß der Außenmantel (11) aus zwei vorzugsweise tiefgezogenen Blechschalen (12, 13) zusam­ mengesetzt ist, die in Längsrichtung des Rohrbündels (10) derart profiliert sind, daß sie mit einem der Höhe der Vorsprünge (22) der Rechteckrohre (19) entsprechen­ den Abstand der Außenkontur des Rohrbündels (10) folgen.
12. Wärmeübertrager nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich­ net, daß die Blechschalen (12, 13) im Bereich der Enden des Rohrbündels (10) jeweils einen umlaufenden Ringkanal (16) bilden, wobei an einem Ringkanal (16) ein Kühlmit­ teleintritt (17) und an den anderen Ringkanal ein Kühl­ mittelaustritt (18) angeformt sind, und wobei vorzugs­ weise der Kühlmitteleintritt (17) und der Kühlmittelaus­ tritt (18) einander in etwa diagonal gegenüberliegen.
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