DE3419442A1

DE3419442A1 - Waermetauscher

Info

Publication number: DE3419442A1
Application number: DE19843419442
Authority: DE
Inventors: Tatsuo Moriguchi Fujita; Shigeo Hirakata Suzuki
Original assignee: KOGATA GASU REIBO-GIJUTSU KENKYU KUMIAI; KOGATA GAS REIBO GIJUTSU; Kogata Gasu Reibo Gijutsu Kenkyu Kumiai Tokio/tokyo
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1983-05-25
Filing date: 1984-05-24
Publication date: 1984-12-20
Also published as: GB8413410D0; GB2143023B; DE3419442C2; GB2143023A; US4621677A

Description

Wärmetauscher

Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung befaßt sich allgemein mit einem Wärmetauscher zur Anwendung bei einer Vorrichtung zum Sammeln von Wärme aus Abgas einer solchen Maschine, die bei ihrem Betrieb Schall erzeugt. Vorzugsweise befaßt sich die Erfindung mit einem solchen Wärmetauscher, der auch zur Schalldämpfung des Abgases einer derartigen Maschine bei ihrem Betrieb dienen kann. 2. §tand_der_Technik£

Seit kurzem wird es gebräuchlich, eine Wärmepumpenvorrichtung, die von einer Verbrennungskraftmaschine angetrieben wird, mit einem Wärmetauscher, der vom Abgas der Verbrennungskraftmaschine Wärme sammelt, so zu kombinieren, daß eine Erwärmung von Wasser erreicht werden kann. In einer derartigen Vorrichtung, die eine Wärmepumpe und eine Wärmetauscheinrichtung kombiniert, muß das bedeutende Problem gelöst werden, die Wärme aus dem Abgas mit großem Wirkungsgrad abzusammeln und möglichst zusätzlich das Geräusch des Abgases zu unterdrücken. Bisher sind eine Vorrichtung zum Sammeln von Wärme aus dem Abgas und eine Vorrichtung zum Unterdrücken von Schallentwicklung des Abgases als gesonderte Einrichtungen vorgesehen, und dementsprechend war nicht nur der Raumbedarf der Einrichtungen relativ groß, sondern auch der Lärm des Abgases und der Lärm, der durch die Außenschale eines Schalldämpfers hindurch tritt, waren beträchtlich. Ferner ist ein üblicher Schalldämpfer des Resonanztyps, wie er zum Unterdrücken von niederfrequenten Anteilen des Abgasgeräusches der Verbrennungskraftmaschine Verwendung findet, nur für vorbestimmte Drehzahlen der Maschine wirksam. Ferner hat im Hinblick auf den Wirkungsgrad des Wärmetausches ein Wärmetauscher der üblichen Bauart üblicherweise ausgedehnte Wärmetauschflächen, wie beispielsweise Rippen im Strömungsweg des Abgases, oder er weist lediglich eine einfache plattenförmige Abtrennung zwischen Flüssigkeit und Gas auf.

Eine derartige Konfiguration des Wärmetauschers kann jedoch nicht befriedigend die Wärme im Wärmetauschweg übertragen, die bei Nutzung der pulsierenden Strömung des Abgases gewonnen wird. Ferner bestand bisher ein Problem darin, daß bei beabsichtigtem hohen Wirkungsgrad von Wärmerückgewinnung das Abgas kondensiert wird. Wenn dabei das Abgas der Verbrennungskraftmaschine starke Säuren enthält, die aus Stickoxiden im Abgas resultieren, führt dies zu einer Korrosion der Rippen oder Platten. Dadurch wird die Güte dieser Komponenten nachteilig beeinflußt. Ebenso nachteilig beeinflußt wird der Wirkungsgrad des Wärmetauschers durch Drosselung des Strömungswegs des Abgases durch die korrodierenden Substanzen.

Erfindungsgegenstand

Hauptaufgabe der Erfindung ist es, einen wirksamen Wärmetauscher zu schaffen, der bei dem Wärmetausch mit Abgas einer Verbrennungskraftmaschine eingesetzt werden kann und dabei eine wirksame Funktion bei der Unterdrückung des Verbrennunsgeräusches übernimmt.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst.

Der Wärmetauscher gemäß der Erfindung kann wirksam einen Wärmetausch durch effektive Nutzung der Natur des pulsierenden Stroms des Abgases durchführen. Er kann auch Verbrennungsgeräusch unterdrücken, indem er eine Konfiguration schafft, bei der ein Flüssigkeitsmantel, ein Einlaßverteiler und ein Auslaßsammler an ihrer jejevreiligen Innenseiten einen Gasströmungsraum umgeben. Dadurch wird ein wirksamer Wärmetausch erreicht ohne Verwendung der konventionellen, aber problematischen Rippen.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung weist der Wärmetauscher ferner einen Resonanzraum in sich auf, der eine weitere befriedigende schallunterdrückende Wirkung zeigt. Ferner ist die Konfiguration gemäß der Erfindung dazu geeignet, einen Aufbau mit mehr- oder vielstufigen Abschnitten abrupter Vergrößerung zu schaffen. Dadurch kann man eine wirksame Unterdrückung von Verbrennungsschall in allen Frequenzbereichen erreichen. Die Anordnung mit abrupter Vergrößerung des Strömungsabschnitts und abrupter erneuter Kontraktion wirkt ferner auch zusammen, um He Turbulenz des Gases zu einem wirksamen Wärmetausch nutzbar zu

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machen. Der Wärmetauscher nach der Erfindung hat einen sehr einfachen und kompakten Aufbau. Wenn man ferner die Anordnung so trifft, daß kondensiertes Wasser oder kondensierte sonstige Flüssigkeit von dem wärmeabgebenden Gas abgezogen wird/ so daß man auf einfache Weise Kondenswasser aus dem Gasstromungsraum abführen kann, hat der Wärmetauscher gemäß der Erfindung hinreichende Dauerhaftigkeit gegen sich aus dem Wärme übertragenden Gas abscheidendes säurehaltiges Kondenswasser, wenn der Wärmetauscher im Zusammenhang mit Abgas der Wärmekraftmaschine Anwendung findet.

Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen in mehreren Ausführungsbeispielen noch näher erläutert.

Kurzbeschreibung der Zeichnung

Es zeigen:

Fig. 1 ein Diagramm eines Gasmaschinen-Wärmepumpen-Systems, in dem der Wärmetauscher nach der Erfindung Anwendung findet;

Fig. 2 einen seitlichen Querschnitt einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers;

Fig. 3 eine geschnittene Rückansicht nach der Schnittlinie B-B¹ von Fig. 2;

Fig. 4 eine geschnittene Stirnansicht nach der Schnittlinie C-C' von Fig. 2;

Fig. 5 einen seitlichen Schnitt einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, bei der ein Resonanzraum 23' vorgesehen ist;

Fig. 6 einen vergrößerten Schnitt eines Teils des Resonanzraums von Fig. 5;

Fig. 7 eine graphische Darstellung der schallunterdrückenden Charakteristik der Ausfuhrungsform von Fig. 5 und Fig. 6;

Fig. 8 in vergrößerter Schnittdarstellung einen Teil eines Resonanzraums einer modifizierten Anordnung der Ausführungsform von Fig. 5 und Fig. 6;

Fig. 9 graphische Darstellungen zur Erklärung der Wirkungs-

^w ¹^* weise der modifizierten Ausführungsform von Fig. 8;

Fig. 11 eine seitliche Schnittansicht einer vierten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 12 eine seitliche Schnittdarstellung einer fünften Ausführungsform gemäß der Erfindung; und

Fig. 13 eine graphische Darstellung, die die schallunterdrückende Charakteristik der Ausführungsform nach Fig. 12 vergleichend darstellt.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele im einzelnen Fig. 1 zeigt die allgemeine Anordnung eines Systems, in dem ein Wärmetauscher nach der Erfindung Anwendung findet.

Eine Verbrennungskraftmaschine 1, die beispielsweise ein Gas, beispielsweise Stadtgas, oder eine Flüssigkeit, beispielsweise Leichtöl, als Brennstoff verwendet, dient zum Antreiben eines Kompressors 2. Der Kompressor 2, ein Kondensator oder Verflüssiger 3, ein Expansionsventil 5 und ein Verdampfer 4 sind im Kältemittelkreislauf in Reihe geschaltet und schaffenen einen Kühlzyklus, der als positive und als negative Wärmequelle Verwendung finden kann, beispielsweise zur Luftklimatisierung (Kühlen, beispielsweise unter Nutzung des Verdampfers 4, und Heizen, beispielsweise unter Nutzung des Kondensators 3), zur Wassererhitzung o.dgl. Im allgemeinen ist der Wärmewirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschine ungefähr 30 %. Die verbleibende Energie, d.h. hier Wärme, kann mittels eines die Abgaswärme sammelnden Systems unter Verwendung des Wärmetauschers 7 und an einem Zylinderkopf 6 der Verbrennungskraftmaschine 1 gesammelt bzw. rückgewonnen werden; dabei werden etwa 50 % der Energie des Brennstoffs durch das Wärmerückgewinnungssystem gesammelt, in dem der Wärmetauscher gemäß der Erfindung Anwendung findet. Die rückgewonnene Wärme wird beispielsweise in einem Wärmespeicher 8 gespeichert oder direkt zur Luftkonditionierung verwendet. Schlußendlich gehen nur ungefähr 20 % der Brennstoffenergie verloren, hauptsächlich als Wärmeverluste durch endgültig ausströmendes Abgas und Wärmeleitung oder Strahlung aus dem System. Bei einem solchen System erhält man im Falle der Kühlung einen totalen Wirkungsgrad der Energienutzung von etwa 1,0 und im Falle der Wassererhitzung von 1,5, und zwar dann, wenn ein wirksames Wärmepumpensystem und ebenso ein wirksamer Wärmetauscher gemäß der Erfindung in dem System Anwendung finden, wobei heißes Wasser im Luftklimatisierungssystem oder im Warmwasserversorgungssystem Anwendung findet. Bei einem solchen System, das die Verbrennungskraftmaschine beispielsweise für Haushaltsanwendungen, Airconditioning o.dgl. benutzt, wird merklicher Lärm bzw. erhebliches Geräusch erzeugt. Um den Geräuschpegel eines solchen Lärms auf ein sehr niedriges Niveau abzusenken,

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wie es beispielsweise in Wohngegenden für langer dauernden Betrieb zulässig ist, wird ein sehr wirksames Lärmunterdrückungssystem notwendig, und ferner muß ein solches System auch noch sehr kompakt sein. Ein erstes derartiges Ausführungsbeispiel ist in Fig. 2 in seitlich genommenem Schnitt und in den Figuren 3 und 4 in rückseitigen und stirnseitigen Schnittansichten an den Schnittebenen B-B¹ bzw. C-C dargestellt.

Der Wärmetauscher 7 gemäß Fig. 2 weist ein Gehäuse 71 auf. Ein Wassermantel 9 ist unmittelbar an der Innenseite der Außenschale des Gehäuses 71 so angeordnet, daß er den Innenraum als Gasströmungsraum 10 umgibt. Das Gehäuse weist auch einen Einlaßverteiler 17 und einen Auslaßsammler 16 auf, die miteinander durch eine Anzahl von Wärmetauschröhren 11 verbunden sind, die durch den GasStrömungsraum 10 hindurchgehen. Die Form des Gehäuses 71 oder des Mantels 9 ist nicht notwendigerweise ein runder Zylinder, wie dargestellt, sondern kann beispielsweise auch prismatisch mit polygonalem Querschnitt sein, falls erforderlich. Der Innenraum 10 ist in Längsrichtung der Wärmetauschröhren 11 durch verschiedene vertikale Trennwände 12, 13, 14 und 15 abgeteilt, durch die die Wärmetauschröhren 11 hindurchdringen. Der Einlaßverteiler 17 ist durch verschiedene Verbindungslöcher mit dem Wassermantel 9 verbunden, und ein Einlaß 20 ist mit dem Wassermantel 9 verbunden. Auf der anderen Seite ist ein Auslaß 18 mit dem Auslaßsammler 16 verbunden. Die Trennwände 12, 13, 14 und weisen verschiedene Gas durchlassende Verbindungslöcher 28 an vorbestimmten Positionen auf, wie dies in den Figuren 3 und 4 dargestellt ist. Die schmalen Gas durchlassenden Verbindungslöcher 28 und die voneinander abgeteilten Räume 25, 10, 23, 22 und 21 bilden eine Geräuschdämmeinrichtung des Expansionstyps. Deshalb sind das Volumen der Räume und die Anzahl und die Querschnittsflächen der Verbindungslöcher so ausgelegt, wie dies schalldämpfenden Charakteristiken entspricht. Gemäß den Figuren 3 und 4 besitzen die benachbarten Trennwände 14 und 15 ihre Verbindungslöcher an entgegengesetzten Teilen, d.h. einmal am unteren Teil und das andere Mal am oberen Teil. Alternativ kann beispielsweise auch die unterschiedliche Anordnung der das Gas durchlassenden Verbindungslöcher so sein, daß diese Löcher einmal am linken Teil und dab andere Mal am rechten Teil der entsprechen-

den benachbarten Trennwand vorgesehen sind.

Die Betriebsweise des oben erwähnten Wärmetauschers gemäß der Erfindung ist folgendermaßen:

Die zu erhitzende Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, wird in den Wassermantel 9 durch den Einlaß 12 eingeführt und fließt im Einlaßverteiler 17 durch die Löcher 19. Dann fließt die Flüssigkeit weiter durch die Wärmetauschröhren 11 in den Auslaßsammler 16 und wird nach draußen durch den Auslaß 18 geleitet.

Andererseits wird ein zu erhitzendes Gas, beispielsweise Abgas einer Verbrennungskraftmaschine, durch den Gaseinlaß 26 in den ersten abgeteilten Gasströmungsraum 21 eingeleitet. Das Gas wird dann in den nächsten abgeteilten Gasströmungsraum 22 durch die das Gas passieren lassenden Verbindungslöcher 28 der ersten Trennwand 12 geführt. Anschließend wird in ähnlicher Weise das Gas durch die Gas durchlassenden Verbindungslöcher der jeweiligen Trennwände 13, 14 und 15 geführt und schließlich durch den Gasauslaß 2 7 herausgeführt. Wenn das Gas durch die Gasströmungsräume 21, 22, 23, 24 und 25 fließt und wenn ferner das Wasser durch die Wärmetauschröhren 11 geführt wird, deren nach außen gerichtete Seitenflächen in den GasStrömungsräumen exponiert sind, wird die Gaswärme zu dem Wasser durch die Wände der Wärmetauschröhren 11 übertragen. Um den Wärmetausch wirksam zu machen, werden die allgemeine Richtung der Gasströmung und der Flüssigkeitsströmung in den Wärmetauschröhren so gewählt, daß sie im wesentlichen im Gegenstrom erfolgen.

Infolge der oben erwähnten Betriebsweise und Anordnung wird das Abgas der Verbrennungskraftmaschine im ersten abgeteilten Gasströmungsraum 21 abrupt expandiert, und dann wird es wiederum in den Gas durchlassenden Verbindungslöchern 28 abrupt komprimiert, dann wiederum im nächsten Gasströmungsraum 22 abrupt expandiert und wieder in den Gas durchlassenden Verbindungslöchern 28 der nächsten Trennwand abrupt komprimiert. Diese Betriebsschritte werden wiederholt, bis schließlich das Gas durch den Auslaß 2 7 den Wärmetauscher verläßt. Demzufolge arbeitet dieser Wärmetauscher 7 als vielstufiger Schalldämpfer des Expansionstyps, Ferner scheidet das Gas infolge des pulsierenden Charakters von

Abgas keine Grenzflächenschichten rund um die Wärmetauschröhren 11 ab. Auch entsteht keine unerwünschte laminare Strömung, die für den Wärmetausch schädlich sein könnte. Dadurch erhält man einen wirksamen Wärmetausch und zugleich eine wirksame Schallunterdrückung .

Da ferner die Gasströmungsräume 10, die als Schallunterdrückungsräume dienen, völlig durch den Wassermantel 9, den Einlaßverteiler 17 und den Auslaßsammler 16 umgeben sind, die ihrerseits mit Wasser gefüllt sind und dementsprechend eine beträchtliche Masse darstellen, wird das Auspuff- oder Abgas, welches das Verbrennungsgeräusch mit sich führt, völlig von der Außenseite des Gehäuses 71 isoliert. Dadurch wird ein überlegener Schalldämpfeffekt erreichbar.

Fig. 5 zeigt eine zweite Ausführungsform, in der einer der abgetrennten Räume, vorzugsweise der zentrale Teil 23, als Resonanzraum ausgebildet ist. Die Resonanzfrequenz des Resonanzraums 23 is so gewählt, daß sie einer zentralen Frequenz oder einer hauptsächlichen Frequenzkomponente des Gasschalls entspricht. Der Resonanzraum 23 wird durch ein Paar Trennwände 13 und 14 definiert, die außer den mit den Gasströmungsrohren 30 verbundenen Verbindungslöchern keine weiteren Gas durchlassenden Verbindungslöcher haben. Die GasStrömungsrohre oder Gasdurchlaßrohre 30 weisen eine vorbestimmte Zahl kleiner Löcher 29 auf, durch die eine Verbindung zum Resonanzraum 2 3 erfolgt. Die anderen Teile und Komponenten außer den erwähnten Teilen und Komponenten sind im wesentlichen identisch zu entsprechenden Teilen der erstgenannten Ausführungsform. Deswegen ist keine weitere Erläuterung der Anordnung und Betriebsweise identischer Teile und Komponenten zur Vermeidung von Wiederholungen erforderlich.

Die vorerwähnte zweite Ausführungsform weist einen zufriedenstellenden schalldämmenden Effekt für die Schallkomponente auf, die Frequenzen rund um die Resonanzfrequenz besitzt. Wenn demzufolge die Resonanzfrequenz rund um die zentrale Frequenz der Hauptfrequenzkomponente des Schalls gewählt wird, erreicht man eine zufriedenstellende Schalldämpfung.

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Pig. 7 zeigt ein experimentelles Ergebnis der Schalldämpfcharakteristik gemäß der Erfindung, nämlich unter Anwendung der vorliegenden Ausführungsform der Figuren 5 und 6 zu einer tatsächlichen Viertakt-Verbrennungskraftmaschine. In der graphischen Darstellung gemäß Fig. 7 zeigt die Kurve A einen spezielle Schallverteilung der Maschine ohne Verwengung des Wärmetauschers gemäß den Figuren 5 und 6, und eine Kurve B zeigt die Schallverteilung nach Dämpfung mittels des Wärmetauschers gemäß den Figuren 5 und 6. Wie in Fig. 7 dargestellt, weist die Kurve A für den nicht unterdrückten Schall eine scharfe Spitze oder einen ausgeprägten Peak bei etwa 100 Hz auf, während die Kurve B, die der Verwendung der Ausführungsform gemäß Figuren 5 und 6 entspricht, eine gut unterdrückte Schallkomponente bei etwa 100 Hz zeigt. Im Mittel wird der Lärm oder Schall des Abgases oder Auspuffgases der Verbrennungskraftmaschine um etwa. 25 dB (A) abgesenkt. Dies zeigt, daß der Schallunterdrückungseffekt des Wärmetauschers nach der Erfindung sehr überlegen ist.

Fig. 8 zeigt eine dritte Ausführungsform, die dazu dient, der Änderung der Drehzahl der Maschine in dem Schalldämpfer des Resonanztyps Rechnung zu tragen.

Bei der Bauweise eines Wärmepumpemsystems mit Gasmaschine ändert sich die Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine entsprechend der Änderung der thermischen Belastung des Luftklimatisierungssystems oder des Wasserheizsystems. Wenn in einem derartigen System die Drehzahl der Maschine ansteigt, verschiebt sich die Hauptkomponente des Maschinenschalls oder Maschinenlärms zu höherer Frequenz. Deswegen sollte die Schalldämpfmaschine des Resonanztyps vorzugsweise ihre Resonanzfrequenz verändern können. Die Ausführungsform gemäß Fig. 8 wechselt die Resonanzfrequenz, indem ein Blatt- oder Zungenventil 31 eingeführt wird, das automatisch die Resonanzfrequenz entsprechend dem Betriebszustand der Maschine verändert. Nach Fig. 8 - eines vergößerten Querschnitts des Gasströmungsrohrs 30 des Resonanzraums 23 - ist ein Zungen- oder Blattventil an der Innenseite der schmalen Löcher 2 9 so befestigt, daß das kleine Loch bedeckt ist, wenn sich die Zunge oder das Blatt des Ventils gerade erstreckt. Das Zungen- oder Blattventil ist aus einem temperaturabhängigen Metall, wie Bimetall, herge-

stellt und so ausgelegt/ daß es sich in Öffnungsrichtung des Lochs 29 bewegt, wenn die Umgebungstemperatur ansteigt. Ein solches Zungen- oder Blattventil wird manchmal auch als Reed-Ventil bezeichnet. Andere Teile und Komponenten außer den vorerwähnten Teilen und Komponenten entsprechen wiederum im wesentlichen den Teilen der vorerwähnten ersten Ausführungsform, so daß erneut keine Erklärung weiteren Aufbaus und der Betriebsweise hinsichtlich der identischen Teile und Komponenten erforderlich erscheint.

Die Betriebsweise der dritten Ausführungsform ist so, daß bei Ansteigen der Belastung des Systems die Drehzal der Maschine ansteigt, wodurch die Temperatur des Abgases ebenfalls steigt, wie dies in einer charakteristischen Kurve der Fig. 10 angezeigt ist. Als Folge des Temperaturanstiegs des Abgases bewegt sich das Zungen- oder Blattventil 31 in einer solchen Richtung, daß sich das Loch 29 öffnet, wie dies in der charakteristischen Kurve der Fig. 9 dargestellt ist. Als Resultat dieser Bewegung des Zungen- oder Blattventils 31 nimmt die effektive Fläche des schmalen Lochs 29 zu, und dementsprechend ändert sich die effektive Resonanzfrequenz des Resonanzraums 23. Bei einem praktischen Gerät sollte beim Ansteigen der Drehzahl der Maschine und entsprechendem Temperaturanstieg des Abgases oder Auspuffgases das Zungen- oder Blattventil 31 sich so bewegen, daß die effektive Querschnittsfläche des schmalen Lochs 29 sich so ändert, daß die Resonanzfrequenz entsprechend der bekannten Formel gemäß nachfolgender Gleichung ansteigt:

Dabei bedeuten:

C die Geschwindigkeit der Schallwelle im Gas, S die Fläche des Lochs 29,

Z die Dicke des Gas durchlassenden Gasströmungsrohrs 30 dort, wo sich das Loch 2 9 befindet, η die Anzahl der Löcher an dem Gasströmungsrohr JO,

V das Volumen des Resonanzraums, und £ die Resonanzfrequenz.

Auf diese Weise kann diese Ausfuhrungsform eine befriedigende Schallunterdrückung als Resultat einer entsprechenden Änderung der Resonanzfrequenz des Resonanzraums 23 bewirken/ und zwar in Abhängigkeit vom Wechsel der Drehzahl der Maschine.

Fig. 11 zeigt eine vierte Ausführungsform gemäß der Erfindung, bei der die schalldämpfende Charakteristik und die Wärmetauschcharakteristik noch weiter verbessert werden. Weitere Teile und Komponenten außer den vorerwähnten Teilen und Komponenten sind wiederum im wesentlichen identisch mit korrespondierenden Teilen der vorerwähnten ersten Ausführungsform, so daß keine Erklärung der Ausbildung und der Betriebsweise identischer Teile und Komponenten wiederholt werden muß.

Bei diesem vierten Ausführungsbeispiel ist der GasStrömungsraum 10 in vier Räume durch drei Trennwände 32, 33 und 32' unterteilt. Die Trennwand 33 hat schmale Gas durchlassende Verbindungslöcher 28, während die Trennwände 32 und 32' keine Verbindungslöcher an der eigentlichen Oberfläche der Trennwände haben; stattdessen ist ein GasStrömungsrohr 34 im Gasströmungsraum 10 angeordnet und weist viele schmale bzw. kleine Löcher 38, 40, 43 und 44 auf, die den Löchern entsprechen, die bei den vorbeschriebenen Ausführungsformen als Gas durchlassende Verbindungslöcher dienten. Das Gasströmungsrohr 34 ist durch eine zentrale Trennwand 39 in zwei Teile unterteilt. Natürlich kann das Gasströmungsrohr 34 durch zwei (linke und rechte) Rohre gebildet sein, die voneinander durch die zentrale Trennwand 39 getrennt sind. Demzufolge ist der erste Gasströmungsraum 36 zum Innenraum des Gasströmungsrohrs 34 durch die schmalen Löcher 38 kommunizierend verbunden. Dann ist der Innenraum des Gasströmungsrohrs 34 mit dem zweiten Gasströmungsraum 41 durch die schmalen Löcher 40 verbunden. Andererseits ist der zweite Gasströmungsraum 41 mit dem dritten GasStrömungsraum 42 wiederum durch Gas durchlassende Verbindungslöcher 28 an der zentralen Trennwand 33 verbunden. Schließlich sind der dritte Gasströmungsraum 42 und der vierte GasStrömungsraum 42' durch den rechten Seitenteil des Gasströmungsrohrs 34 verbunden, und zwar durch die an ihm ausgebildeten Gas durchlassenden Verbindunaslöcher 43 und 44.

Diese vierte Ausfuhrungsform arbeitet folgendermaßen: Das heiße Gas wird durch den Einlaß 27 in den ersten GasStrömungsraum 36 eingeleitet und fließt durch die linke Seite des Gasströmungsrohrs 34 in den zweiten Gas durchlassenden Raum 41 und dann in den dritten GasStrömungsraum 42 durch die gasdurchlässigen schmalen Löcher 33. Dann passiert das Gas durch die rechte Seite des Gas durchlassenden Rohrs 34 durch dessen gasdurchlässige schmale Löcher 43 und 44 und fließt in den vierten Gassströmungsraum 42*, um dann schließlich nach außen durch den Gasauslaß 27 herausgeführt zu werden.

Bei dieser Ausführungsform kollidiert das heiße Gas zunächst mit den Innenwänden und den Wärmetauschröhren 11 und wird dann in das GasStrömungsrohr 34 hineingeführt. Dabei wird es an den von dem Gas passierten schmalen Löchern 38 komprimiert und dann wiederum an den von dem Gas passierten schmalen Löchern 40 expandiert, um anschließend wieder mit den Wärmetauschröhren und den Innenwänden des zweiten GasStrömungsraums zu kollidieren. Anschließend kollidiert das Gas mit der Trennwand 33 sowie nach Komprimierung an den vom Gas passierten schmalen Löchern 28 mit der zentralen Trennwand 33, um dann mit den Viärmetauschröhren 11 in der dritten Kammer zu kollidieren. Dasselbe wiederholt sich im dritten Gasströmungsraum 42 und am vierten Gasströmungsraum 42*. Da demnach das heiße Gas vielfach mit den Wärmetauschröhren 11 und dem Flüssigkeitsmantel 9 kollidiert bzw. zusammentrifft, erfolgt ein ganz wirksamer Wärmetausch. Die Ausbildung dieser vierten Ausführungsform stellt daher eine vielstufige Kompression und Expansion des Heißgases dar, das eine abrupte Kompression an den Löchern 38, 40, 28, 43 und 44 erleidet und sich dann jeweils nach Passieren der erwähnten kleinen Löcher abrupt expandiert. Dementsprechend stellt diese Ausführungsform im wesentlichen einen Schalldämpfer der Bauart mit sechsstufiger Expansion dar, wodurch der Abgasschall drastisch eliminiert wird. Ferner hat der erwähnte im wesentlichen sechsstufige Expansionsschalldämpfer an jeder Stufe im wesentlichen die Bauart mit Seitenwandeintritt und Seitenwandaustritt, was zu einer guten schallunterdrückenden Charakteristik führt.

Da ferner der Gasauslaß 2 7 an einer radial außenseitigen Stelle in Bezug auf das Gasströmungsrohr 34 angeordnet ist, trifft das Heißgas, das aus dem schmalen Löchern 40' des Gasströmungsrohrs 34 ausgeblasen wird, auf die Innenwände des Gasströmungsraums 42' oder die Oberfläche der Wärmetauschröhren 11, und zwar unter einem rechten Winkel und hoher Geschwindigkeit. Dadurch wird die Bildung unerwünschter Oberflächenschichten unterdrückt,und man erhält eine zufriedenstellende, mängelarme Wärmeleitung.

Fig. 12 zeigt einen in Seitenrichtung genommenen Schnitt einer vierten Ausführungsform der Erfindung. Bei dieser sind Gasströmungsrohre 55 vorgesehen, die zwei benachbarte GasStrömungsräume verbinden und so angeordnet sind, daß sie koaxial die darin befindlichen Wärmetauschröhren 11 umfangen. Andere Teile und Komponenten als die eben erwähnten Teile und Komponenten sind wiederum im wesentlichen identisch zu den entsprechenden Teilen der vorerwähnten ersten Ausführungsform, so daß wiederum keine Erklärung der Anordnung und Betriebsweise bezüglich der identischen Teile und Komponenten wiederholt werden muß.

Bei dieser fünften Ausführungsform weisen die Trennwände 53 Gas durchlassende Verbindungslöcher nur rund um die Wärmetauschröhren 11 auf. Die Gasströmungsrohre 55 sind in einer solchen Weise angeordnet, daß sie koaxial die Wärmetauschröhren 11 umfangen, so daß dazwischen Gas durchlassende Verbindungslöcher mit ringförmigem Querschnitt entstehen. Dabei sind an der Trennwand 53 keine einfachen Gas durchlassende Verbindungslöcher angeordnet. Im Resonanzraum 2 3 ist das Gasströmungsrohr 30 ebenfalls koaxial mit der Wärmetauschrohre angeordnet. Beide Enden des Gasströmungsrohrs 30 erstrecken sich bis etwa in die Nähe des mittleren Teils des jeweils benachbarten abgeteilten Gasströmungraums 50" und 50"'.

Die fünfte Ausführungsform gemäß Fig. 12 hat folgende Betriebsweise. Das Heißgas wird durch den Gaseinlaß 26 in den ersten Gasströmungsraum 50 eingeleitet und fließt dann durch den ringförmigen Spalt zwischen dem Gasströmungsrohr 55 und der Wärmetauschrohre 11 in den zweiten Gasströmungsraum 50', um dann in den dritten Gasströmungsraum 50" durch den ringförmigen Spalt zwischen dem Gasströmungsrohr 55' und dem Wärmetauschrohr 11 einge-

leitet zu werden. Dann wird das Gas zum vierten, d.h. letzten Gasströmungsraum 50'" durch den ähnlichen ringförmigen Spalt zwischen dem Gasströmungsrohr 30 und der Wärmetauschrohre geleitet, die darin koaxial angeordnet ist. übrigens weist das Gasströnungsrohr 30 ein schmales Loch 2 9 auf, das es mit dem Resonanzraum 23 verbindet. Bei entsprechender Wahl der Länge der Gasströmungsrohre 55, 55* und 30 und, beispielsweise, bei Wahl der Anordnung des Endteils der GasStrömungsrohre sehr nahe an der Trennwand 53 zur Formung räumlich schmaler oder enger Teile erhält man die gewünschte abrupte Gaskompression und abrupte Gasexpansion. Unter Formung derartiger räumlich eng angeordneter Teile am jeweiligen Ende der GasStrömungsrohre 55 und 55' und ferner unter Anordnung der Endteile des GasStrömungsrohrs 55 und des Gasströmungsrohrs 55' in entgegengesetzter Lage in Bezug auf den Gasströmungsraum kann man die Gasströmung auf einen zickzackförmigen Weg bringen, so daß viele Kollisionen mit der Wand oder den Wärmetauschröhren erfolgen. Dadurch kann man wiederum eine wirksame Schallunterdrückung bei der erwähnten Anordnung erreichen, indem man den jeweiligen Innendurchmesser der Gas durchlassenden Rohre 55, 55' und 30 entsprechend wählt. Die abrupten Kompressionen des Gases und die abrupten Expansionen des Gases beim Hineinkommen in den vom Gas passierten Raum und wiederum beim Herausgehen aus dem Raum ergeben die Bauart eines Schalldämpfers mit vielstufiger Expansion. Indem ferner ein Anteil der Wärmetauschröhren durch das Gas durchlassende Rohr überdeckt wird, erhält man eine Geräuschminderung in Bezug auf das Innenrohr des Schalldämpfers. Ferner kann man auch durch entsprechende Wahl der Längen der Gasströmungsrohre 55, 55' und 30 eine schallreduzierende Charakteristik für verschiedene Schallfrequenzen erhalten. Ferner bewirkt der als enger Spalt ausgebildete Raum zwischen der Außenseite des Gasströmungsrohrs und der Innenseite der Wärmetauschrohre eine sehr hohe Geschwindigkeit der Gasströmung, wodurch die Bildung von Grenzschichten unterdrückt und eine wirksame Wärmeleitung erreicht wird. Durch die Anordnung des Gasströmungswegs im Zickzack durch Anordnung der Gas durchlassenden Gasströmungsrohre werden die mit dem in Gas in Kontakt tretenden Flächen der Metallkomponenten des Wärmetauschers vergrößert und damit ihre Wärmeleitung verbessert.

Fig. 13 ist eine graphische Darstellung, die im Vergleich die Schallreduktionscharakteristik der fünften Ausführungsform mit der koaxialen Doppe!rohranordnung für einen Frequenzbereich zeigt, der für den Menschen hörbar ist. In der Zeichnung stellt die Kurve C den Originalschall einer Verbrennungskraftmaschine an sich dar. Die Kurve D beschreibt den Schall, der gemessen wird, wenn ein konventioneller Kraftfahrzeug-Schalldämpfer für dieselbe Maschine verwendet wird. Die Kurve E beschreibt den Schall für den Fall, wenn der Wärmetauscher der vierten Ausführungsform gemäß der Erfindung Anwendung findet. Wie man aus der graphischen Darstellung von Fig. 13 entnehmen kann, ergibt sich ohne weiteres, daß der Wärmetauscher gemäß der fünften Ausführungsform der Erfindung überlegene Schalldämpfungswirkung für alle Hörfrequenzen hat. Es wurde experimentell bestätigt, daß bei Verwendung dieser Ausführungsform als Wärmetauscher der Druckverlust nur etwa 100 mm Wassersäule beträgt. Ein derartiges Niveau des Druckverlusts beeinflußt nicht sehr wesentlich die Betriebscharakteristik der Maschine.

Ferner kann man eine Wärmeübergangszahl des Abgases von 70 bis

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100 kcal/m *h'°C erreichen.

Claims

ELISABETH JUNG dr. phil.. dipl-cmm. ^: * · *. " " -.,- 8050 MÖNCHEN 40. JÖRGENSCHIRDEWAHNd, rer." nat.^pl.-phys. ^m'nsstrasIe 30

CLAUS GERNHARDT dipu-inq. telefon: (089) 345067

TELEGRAMM/CABLE: INVENT MÜNCHEN

PATENTANWÄLTE TELEX: 5-29 686

EUROPEAN PATENT ATTORNEYS TELECOPIERER (FAX): (089) 39 9239 (GR. ll/lll)

u.Z.: S666 M (Dr.S/lz) (24. Mai 1984)

9. Juli 1984

Kogata Gasu Reibo-gijutsu Kenkyu Kumiai
c/o Tokyo Gasu K.K., Gijutsu Kenkyusho
16-25, Shibaura 1-chome, Minato-ku
Tokyo-to, 105, Japan

Wärmetauscher

Beanspruchte Prioritäten:

25. Mai 1983 - Japan - 92923/1983

7. Juni 1983 - Japan -102076/1983

20. Juli 1983 - Japan -133170/1983

9. Nov. 1983 - Japan -210133/1983

Ansprüche

1. Wärmetauscher

mit einem Gehäuse (71), das

einen Flüssigkeitsmantel (9), der unmittelbar innerhalb einer Außenschale (71) des Gehäuses angeordnet ist und zylindrisch einen dabei gebildeten Innenraum (10) umgibt,

einen Einlaßverteiler (17), der unmittelbar innerhalb der Außenschale (71)an einer Stirnfläche des Gehäuses und mit dem Flüssigkeitsmantel (9) kommunizierend angeordnet ist,

und einen Auslaßsammler (16) aufweist, der unmittelbar innerhalb aer Außenschale (71)an der anderen Stirnfläche des Gehäuses angeordnet ist,

wobei der Flüssigkeitsmantel (9), der Einlaßverteiler (17) und der Auslaßsammler (16) gemeinsam den Innenraum (10) so umgeben, daß dieser unter Bildung eines Gasströmungsraums (10) von der Außen-

schale (71) isoliert ist,

mit einer Mahr- oder Vielzahl Wärmetauschröhren (11), die den Einlaßverteiler (17) und den Außlaßsammler (16) kommunizierend verbinden und mit ihren Außenflächen in dem Gasströmungsraum (10) exponiert sind,

mit einem mit dem Flüssigkeitsmantel (9) verbundenen Flüssigkeitseinlaß (20) ,

mit einem mit dem Auslaßsammler (16) verbundenen Flüssigkeitsauslaß (18) ,

mit einem mit einem Teil des Gasströmungsraums (10).verbundenen Gaseinlaß (26),

mit einem zu dem anderen Teil des Gas Strömungsraums (1.0). verbundenen Gasauslaß (27), und

mit wenigstens einer Trennwand, die den GasStrömungsraum (10) in wenigstens zwei voneinander abgetrennte Räume unterteilt, die der Reihe nach in Längsrichtung der Wärmetauschröhren (11) angeordnet sind und wenigstens eine Verbindungsöffnung (28) aufweist, durch die Gas zwischen den voneinander abgetrennten Räumen passieren kann.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1 mit Anordnung der Flüssigkeitsströmung in den Wärmetauschröhren (11) und der Gasströmung im Gasströmungsraum (10) im wesentlichen im Gegenstrom.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasströmungsraum (10) eine schallunterdrückende Einrichtung des Resonanztyps aufweist (Fig. 5, Fig. 6).

4. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die schallunterdrückende Einrichtung wenigstens ein Rohr mit wenigstens einem Loch aufweist, wobei das Rohr zwei Räume zu beiden Seiten eines isolierten Raums, der durch zwei benachbarte Trennwände definiert ist, miteinander verbindet (Fig. 8).

5. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Loch (29) ein Blatt- oder Zungenventil (31) aufweist, das sich in Abhängigkeit von wechselnder Umgebungstemperatur verschiebt.

6. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß weiterhin ein Gasströmungsrohr (34) zwei benachbarte der voneinander getrennten Räume miteinander verbindet, wobei das Gas Strömungsrohr (34) wenigstens ein Loch (34, .40) aufweist, das mit jedem der voneinander getrennten Räume verbunden ist und dabei die Gas passieren lassenden Verbindungslöcher bildet (Fig. 11).

7. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß fernerhin Gasströmungsrohre (55) zwei benachbarte der voneinander getrennten Räume miteinander verbinden, wobei das jeweilige GasStrömungsrohr (55) zu jedem der voneinander getrennten Räume (50, 50') offen und so angeordnet ist, daß lose bzw. mit radialem Spiel oder Abstand eine äußere Hülsenanordnung rund um die jeweiligen Wärmetauschröhren (11) gewonnen wird (Fig. 12).