EP3635320B1 - Vorrichtung zur wärmerückgewinnung aus einem heizfluid - Google Patents

Vorrichtung zur wärmerückgewinnung aus einem heizfluid Download PDF

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EP3635320B1
EP3635320B1 EP18728066.4A EP18728066A EP3635320B1 EP 3635320 B1 EP3635320 B1 EP 3635320B1 EP 18728066 A EP18728066 A EP 18728066A EP 3635320 B1 EP3635320 B1 EP 3635320B1
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EP
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fluid
tube
heat exchanger
flow duct
duct
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Hilmar LÄMMER
Christian Urban
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Volkswagen AG
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    • F28F2250/00—Arrangements for modifying the flow of the heat exchange media, e.g. flow guiding means; Particular flow patterns
    • F28F2250/06—Derivation channels, e.g. bypass

Definitions

  • the invention relates to a device for heat recovery from a heating fluid that flows through a heating fluid tract when a heating fluid generator is in operation, having a channel closure element and a heat exchanger arrangement, the heat exchanger arrangement having a main flow channel surrounded by a secondary flow channel, here the main flow channel and secondary flow channel each having at least one inlet and at least one downstream of the inlet formed outlet for throughflow by means of the heating fluid, a volume flow of the heating fluid through the main flow channel and / or the secondary flow channel can be regulated depending on an opening rate of the channel closure element, the channel closure element is arranged downstream of the outlets of the main flow channel and the secondary flow channel of the heat exchanger arrangement and the secondary flow channel is arranged via the Outlet of the secondary flow channel with an inlet and an outlet aufwe isenden closure bypass channel is connected in a fluid-permeable manner.
  • EP 1 884 634 discloses an apparatus according to the preamble of claim 1.
  • a challenge of modern motor vehicle construction is the lofty goal of continuously minimizing fuel consumption and, associated with this, the pollutant emissions of an internal combustion engine in the motor vehicle.
  • the steam generator here has a housing with an inlet and an outlet area, a tubular feed-through line extending from the inlet to the outlet area being arranged inside and coaxially to the housing.
  • This feed-through line is also slotted at its end sections located in the inlet and outlet area, so that the exhaust gas flowing into the steam generator can get into a space between the housing wall and the feed-through line. In this space is adjacent to the Through line arranged a spiral tube through which a fluid to be evaporated flows.
  • the spiral tube which in one embodiment has disk-like ribs to increase the heat transfer, serves as a heat transfer module, via which the thermal energy present in the exhaust gas is transferred to the fluid to be evaporated.
  • a control flap is arranged within the steam generator, more precisely within the feed-through line, by means of which the feed-through line is in a closed or open state depending on the position of the control flap.
  • the control flap is preferably arranged in the inlet area, with the exhaust gas passing through the slotted end area of the lead-through line into the space between the lead-through line and the housing when the lead-through line is closed and flows over the spiral tube.
  • the exhaust gas passes directly from the inlet to the outlet area, bypassing the intermediate area, which largely prevents heat transfer from the exhaust gas into the fluid to be evaporated.
  • a disadvantage of the described arrangement is in particular the positioning of the control flap within the steam generator, since this means that the flap shaft moving the locking flap must have a great length in order to reach into the interior of the feed-through line. This requires low manufacturing tolerances for the valve shafts and their storage, which, in connection with the temperatures reached in the exhaust tract, leads to distortion and malfunctions of the shut-off valve.
  • the DE 10 2011 056 212 A1 describes a similarly designed arrangement for the recovery of thermal energy from an exhaust gas for heating transmission oil, in which the control flap is arranged within the feed-through line, but in the outlet area, and the feed-through line also only in the outlet area via openings for the transition of the exhaust gas into the intermediate area between Feedthrough line and housing wall has.
  • the feed-through line is also closed by means of the control flap.
  • two interconnected, annular chambers for receiving a coolant are formed, around which the exhaust gas directed into the intermediate space flows for the purpose of heat transfer.
  • a spiral tube through which the transmission oil flows is arranged within one of the chambers.
  • DE 10 2012 105 588 A1 an essentially the function of the DE 10 2011 056 212 A1 corresponding arrangement for the recovery of thermal energy is known, which is also used to heat transmission oil.
  • the arrangements disclosed do not apply to a spiral tube.
  • the arrangement shows separate, but adjoining and coaxially running, annular chambers for receiving coolant and gear oil, with several mat-like tube bundles extending in a straight line in the longitudinal direction of the arrangement being arranged within the coolant chambers, through which exhaust gas flows over Openings in the lead-through line is passed into an end-face intermediate area between the lead-through line and the housing.
  • the tube bundles have a plurality of individual tubes which run essentially both parallel to one another and parallel to the lead-through line.
  • a central section of the individual tubes has a wall that is essentially spiral-shaped in order to enlarge its surface.
  • the disadvantage of such individual pipes running parallel to one another and parallel to the feed-through line is the possibility that the exhaust gas flowing through the individual pipes can be subject to an uneven distribution over the individual pipes and, as a result, in the case of a coolant that is to be evaporated, evaporation can sometimes not occur.
  • the EP 2 942 500 A1 a heat exchanger with an internal bypass pipe and a control flap arranged on the inlet side can also be seen in order to direct an exhaust gas flow through a heat exchanger duct or the bypass pipe.
  • a spiral tube through which a medium can flow is arranged around the bypass tube in the heat exchanger duct.
  • the WO 03/040 641 A1 shows a heat exchanger with an internal bypass tube, which is also surrounded by a spiral tube.
  • a regulating flap is again arranged, by means of which the flow of a first medium through the bypass pipe can be adjusted.
  • each cylindrical heat exchanger can be found for arrangement in an exhaust tract.
  • a bypass consisting of an inner pipe can be closed by means of a flap arranged downstream, so that exhaust gas flows into one via openings formed on the inlet side Flow area is passed between the inner pipe and a corrugated pipe section functioning as a separating element.
  • cooling water is also conducted in a cooling water area between the corrugated pipe section and the outer housing of the heat exchanger.
  • the invention is based on the object of designing a device of the type mentioned at the outset in such a way that, compared to the prior art, the construction is simplified, greater manufacturing tolerances are possible and malfunctions can thereby be minimized.
  • a device for heat recovery from a heating fluid the heating fluid flowing through a heating fluid tract when a heating fluid generator is in operation.
  • the device has a channel closure element and a heat exchanger arrangement, the heat exchanger arrangement also having a main flow channel surrounded by a secondary flow channel.
  • the main flow channel and secondary flow channel each have at least one inlet and at least one outlet formed downstream of the inlet for the flow of the heating fluid through, with at least one heat exchanger element through which a working fluid can flow during operation of the device being arranged in the secondary flow channel and a volume flow of the heating fluid through the main flow channel and / or the secondary flow channel can be regulated as a function of an opening rate of the channel closure element, so z.
  • the channel closure element is arranged downstream of the outlets of the main flow channel and the secondary flow channel of the heat exchanger arrangement.
  • the device for heat recovery is arranged in the heating fluid tract, with at least the inlet of the main flow channel connected to a first section of the heating fluid tract in a fluid-permeable manner upstream of the device, and the device downstream of the closure device being able to open into a second section of the heating fluid tract.
  • the heating fluid is diverted downstream of the closure device into an aftertreatment system or the environment.
  • the length of the main flow channel would be downstream be limited in its longitudinal extent by the channel closure element, the heating fluid tract would in turn connect downstream of the channel closure element.
  • the main flow channel and the heating fluid tract are made in one piece and the main flow channel thus forms a section of the heating fluid tract. A two-part or multi-part design is still possible.
  • the heat exchanger arrangement of the device in itself also has no channel closure element. This is arranged downstream of the heat exchanger arrangement, which on the one hand simplifies the structure of the heat exchanger arrangement and on the other can advantageously be used channel closure elements which, for. B. are already available on the market and thus susceptible special solutions with high manufacturing tolerances can be avoided.
  • the heat exchanger arrangement of the device should also preferably work on the countercurrent principle, i. H. the flow direction of the heating fluid and the working fluid are opposite to each other.
  • the direct current principle it is also conceivable to use the direct current principle.
  • the closure element should have at least two states, wherein the closure element should preferably also be able to assume further continuously or discretely changeable intermediate states between these two states.
  • One of the at least two states could be described here by a maximum opening rate, ie a counter pressure in the main flow channel of the heat exchanger arrangement caused by the closure element is minimal, so the heating fluid is only minimally prevented from flowing through the main flow channel. In such a state, no or essentially a minimal volume flow component of the heating fluid would flow through the secondary flow channel, as a result of which the main flow channel acts as a bypass of the secondary flow channel.
  • a second of the at least two states could correspondingly be described by a minimum opening rate of the closure element, which means that in this state the counterpressure in the main flow channel caused by the closure element would be maximum.
  • the heating fluid would thus be prevented to the maximum from flowing through the main flow channel, so that no or a minimal volume flow component of the heating fluid would flow through the main flow channel or a maximum volume flow component would flow through the secondary flow channel.
  • the necessary actuation of the closure element could be implemented, for example, via an electrical or pneumatic actuator.
  • the described opening rate is determined here from the ratio of the cross-sectional area of the main flow channel through which flow can flow to the total cross-sectional area of the main flow channel.
  • the thermal energy or heat present in the heating fluid is transferred into the working fluid via the heat transfer element.
  • the working fluid should at least be heated, but preferably evaporated.
  • the working fluid should also be part of a subsequent cycle in which it could be used in a gaseous state to drive a generator, for example.
  • the closure element can be designed as a flap, in particular as an exhaust flap, wherein the angular position of the flap or the exhaust flap should determine its opening rate.
  • the flap or exhaust flap in a first state of maximum opening rate, could be oriented at an angle of rotation of 0 degrees or 180 degrees to the flow direction of the heating fluid or correspondingly to the longitudinal direction of the main flow channel.
  • a second state i.e. in the state of minimum opening rate, there would be an angular position of the flap or exhaust flap with an angle of rotation of 90 degrees or 270 degrees to the flow direction of the heating fluid and / or to the longitudinal direction of the main flow channel.
  • the heating fluid can in particular be designed as an exhaust gas which flows through the exhaust gas tract, in particular the exhaust gas tract of an internal combustion engine, the internal combustion engine representing the corresponding heating fluid generator.
  • the heating fluid tract would consequently the exhaust gas tract, in particular the exhaust gas tract of the internal combustion engine, such as. B. correspond to an internal combustion engine of a motor vehicle.
  • the working fluid should be in the form of a fluid which, as a result of the heat transferred from the heating fluid through the heat transfer element, passes from the liquid into the gaseous phase, that is to say can be evaporated.
  • a fluid which, as a result of the heat transferred from the heating fluid through the heat transfer element, passes from the liquid into the gaseous phase, that is to say can be evaporated.
  • water but also alcohols such as ethanol, are suitable for such a working fluid.
  • refrigerants of various types could be used as the working fluid.
  • the secondary flow channel of the heat exchanger arrangement is connected in a fluid-permeable manner to the main flow channel of the heat exchanger arrangement exclusively via the inlet of the secondary flow channel. Accordingly, it is between the outlet of the secondary flow channel and the main flow channel have no or no direct fluid-permeable connection, which in particular leads to the fact that the structure of the heat exchanger arrangement is simplified and that it is therefore less susceptible to faults.
  • the fluid-permeable connection in this context means a substance-permeable connection which is permeable at least to fluids and gases. However, permeability for solid substances is not excluded. It is also to be taken for granted that energy can also be transmitted via this fluid-permeable connection.
  • the closure bypass channel is designed as at least one overflow pipe, which is arranged downstream of the heat exchanger arrangement on the housing of the heat exchanger arrangement and the heating fluid tract and thereby connects the secondary flow channel on the outlet side, bypassing the channel closure element, so that the heating fluid from the secondary flow channel into the Heating fluid tract can flow.
  • the overflow pipe should be arranged in such a way that a first end face of the overflow pipe is connected to the housing of the heat exchanger arrangement upstream and a second end of the overflow pipe is connected to the heating fluid tract downstream in a fluid-permeable manner.
  • the overflow pipe could also run in sections parallel to the main flow channel and / or to the heating fluid tract.
  • the closure bypass channel in the form of an overflow pipe arranged outside the main flow channel and / or the heating fluid tract advantageously offers a structurally and manufacturing-technically simpler structure than, for example, one inside the main flow channel and / or the heating fluid tract, e.g. B. in the form of a pipe-in-pipe design, arranged overflow pipe.
  • An embodiment of the invention is also to be regarded as advantageous when the secondary flow channel is connected in a fluid-permeable manner via the outlet of the secondary flow channel to a closure bypass channel having an inlet and an outlet.
  • Such a configuration beneficially makes it possible for the heating fluid not to build up in the secondary flow channel, which in a positive manner prevents possible overheating of the heat exchanger element and / or of the working fluid flowing in the heat exchanger element.
  • the closure bypass channel is connected in a fluid-permeable manner to the heating fluid tract via the outlet of the closure bypass channel downstream of the channel closure element, then it is possible that the heating fluid that has flowed over from the secondary flow channel into the closure bypass channel can be returned to the heating fluid tract, whereby profitably no counter pressure in the closure bypass channel and / or is generated in the secondary flow channel and the discharge of the heating fluid is made possible while bypassing the channel closure element.
  • This is of particular importance when the channel closure element is in a state in which it does not have its maximum opening rate and thus the main flow channel is partially or completely closed, whereby a corresponding volume flow portion of the heating fluid flows into the secondary flow channel.
  • the main flow channel is formed by a fluid pipe enclosed by a housing, the housing enclosing the fluid pipe orthogonally to the longitudinal direction of the fluid pipe.
  • a correspondingly coaxial arrangement of the housing and fluid pipe is conceivable here, with the fluid pipe in the simplest case being able to be designed as a cylinder pipe.
  • the fluid tube should not be completely enclosed by the housing, but only orthogonally to and in the longitudinal direction of the fluid tube, so that the end faces of the fluid tube forming the inlet and outlet of the skin flow channel are not enclosed by the housing.
  • such a configuration offers a basic structure of the heat exchanger arrangement that is less prone to faults.
  • the inlet of the secondary flow channel is formed by at least one opening formed in the wall of the fluid pipe, this opening being in a region of the fluid pipe which is enclosed by the housing and thereby the Main flow channel connects to the secondary flow channel in a fluid-permeable manner.
  • the opening can assume any shape, for example a circular, oval or elliptical shape. It is also conceivable that the opening is in the form of a slot. In addition to a single opening, however, an embodiment with a plurality of openings is preferred, wherein these can be arranged at a distance from one another in the circumferential direction of the fluid tube.
  • the secondary flow channel is formed by a fluid space which is formed between the fluid tube and the housing surrounding the fluid tube, then it can be assumed that this is an extremely less error-prone configuration of the secondary flow channel of the heat exchanger arrangement.
  • at least the two end regions of the housing should be connected to the fluid pipe in a fluid-impermeable manner, it being possible for the connection to be made cohesively and also non-positively and / or positively.
  • the length of the secondary flow channel would be determined by this configuration via the longitudinal extent of the housing, in particular by the spacing of the end regions of the housing.
  • the heat exchanger element is designed as a spiral tube through which the working fluid can flow and / or ribs formed on an outer surface of the spiral tube and in the longitudinal direction of the tube, at least in sections, in the opposite direction to the central axis of the tube is arranged.
  • a design of the heat exchanger element as a coiled tubing offers the advantage over a possible design variant with several individual tubes running in a straight line and essentially parallel to one another and parallel to the main and secondary flow channels that there is no uneven distribution of the volume flow of the heating fluid.
  • the raw coil in such a way that ribs are formed on its outer jacket surface increases the heat flow from the heating fluid into the working fluid, whereby the efficiency of the heat transfer can be increased.
  • the ribs are formed by applying an endless belt which is spirally wound in the longitudinal direction of the tube and which is cut to length according to the length of the section on the tube carrying the ribs at least in sections.
  • the connection between the endless belt forming the ribs and the tube can be formed with a material fit, whereby the material connection can be produced using a welding process, in particular a laser welding process.
  • such a described tube can for example have an outer diameter of eight millimeters with a wall thickness of 0.75 millimeters and the endless belt forming the ribs can have a width of five millimeters and a thickness of 0.5 millimeters.
  • a further advantageous embodiment of the device can be designed in that a deformable intermediate insert which surrounds the fluid pipe and / or the coiled pipe orthogonally to the longitudinal direction of the fluid pipe is arranged between the fluid pipe and the coiled pipe and / or between the coiled pipe and the housing which the fluid tube and the coiled tubing and / or the raw coil and the housing are in contact.
  • the intermediate insert is elastically and / or plastically deformable and is present, for example, as a woven, knitted and / or knitted fabric.
  • Felt mats and / or fiber mats such as. B. fiberglass mats and in particular silicate fiberglass mats.
  • the intermediate insert can also be generally flat and flat, with such an intermediate insert being folded over or applied around the fluid pipe and / or the inner jacket surface of the housing so that the intermediate layer adapts to the respective contour.
  • the intermediate insert could, however, also be in the form of a hollow cylinder, quasi in the form of a flexible pipe or a cuff, so that it can be pushed onto the fluid pipe and / or inserted between the coiled pipe and the housing.
  • the intermediate insert can also be present as a solid material.
  • the intermediate insert can be designed as an insulation element and / or a sealing element, whereby on the one hand the heat flow into the environment and possibly into the main flow channel, ie z. B. the fluid tube can be minimized.
  • the intermediate insert were laminated with a layer that reflects thermal radiation, such as a stainless steel foil, for example.
  • This lamination would also have the advantage that the volume flow of the heating fluid, due to its flow velocity, cannot entrain any parts of the intermediate layer.
  • B. should be prevented when using interlayers consisting of fibers in order to prevent a steady reduction in the interlining and thus a defect. Since the intermediate insert or the intermediate inserts are in contact with the fluid pipe, the coiled tubing and the housing, they can also fulfill the function of a sealing element.
  • the intermediate inserts is used to compensate for tolerances between the fluid pipe and the coiled pipe and / or the coiled pipe and the housing.
  • FIG. 1 shows a perspective view of a further development of the device 1 according to the invention for heat recovery from a heating fluid.
  • This heating fluid flows through the heating fluid tract 2 when a heating fluid generator is in operation.
  • the device 1 has the channel closure element 3 and the heat exchanger arrangement 4, which consists of the secondary flow channel 5, the main flow channel 6 and the heat exchanger element 11.
  • the heat exchanger element 11 is designed as a tube coil 22 from the spiral tube 23.
  • the volume flow of the heating fluid through the main flow channel 6 and / or the secondary flow channel 5 can be regulated as a function of the opening rate of the channel closure element 3 arranged downstream of the heat exchanger arrangement 4.
  • the secondary flow channel 5 is also connected to the main flow channel 6 in a fluid-permeable manner exclusively via the inlet 7 of the secondary flow channel 5.
  • the heating fluid flows via the inlet 7 into the secondary flow channel 5.
  • the working fluid flowing in the heat exchanger element 11 during operation of the heat exchanger arrangement 4 is heated into the working fluid due to the heat flow from the heating fluid via the heat exchanger element 11.
  • the heating fluid flows back into the heating fluid tract 2 via the locking bypass channel 14.
  • the channel locking element is open, the heating fluid flows through the main flow channel 6 by bypassing the secondary flow channel 5 and immediately returns to the heating fluid tract 2.
  • Figure 2 also shows a further development of the device 1, this being shown in section.
  • the device 1 again shows the channel closure element 3 and the heat exchanger arrangement 4.
  • the heat exchanger arrangement 4 has the from Main flow channel 6 surrounding secondary flow channel 5, main flow channel 6 having inlet 9 and outlet 10 and secondary flow channel 5 having inlets 7 and outlet 8.
  • the main flow channel 6 is formed by the fluid pipe 16 enclosed by the housing 15, the housing 15 enclosing the fluid pipe 16 orthogonally to the longitudinal direction 17 of the fluid pipe 16.
  • the secondary flow channel 5 is connected to the main flow channel 6 in a fluid-permeable manner exclusively via the inlets 7 of the secondary flow channel 5, the inlets 7 being formed by the openings 19 formed in the wall 18 of the fluid pipe 16.
  • the heat exchanger element 11 is also arranged in the secondary flow channel 5, which is formed by the fluid space 20 which is formed between the fluid pipe 16 and the housing 15, the heat exchanger element 11 is also arranged.
  • the heat exchanger element 11 is designed as a coiled tubing 22, which runs in a spiral around the fluid tube 16.
  • the deformable intermediate insert 27 enclosing the coiled tubing 22 orthogonally to the longitudinal direction 25 of the fluid pipe 16, with which the coiled tubing 22 and the housing 15 are also in contact.
  • the channel closure element 3 is arranged downstream of the outlets 10, 8 of the main flow channel 6 and the secondary flow channel 5, this being designed as a flap in this development and the angular position of the channel closing element 3 designed as a flap determining its opening rate.
  • the channel closure element 3 designed as a flap is in its second state, that is to say in the state of the minimum opening rate, the main flow channel 6 being quasi closed.
  • Figure 2 also shows that the secondary flow channel 5 is connected in a fluid-permeable manner via its outlet 8 to the inlet 12 of the closure bypass channel 14 and the closure bypass channel 14 is in turn connected to the heating fluid tract 2 via its outlet 13 downstream of the channel closure element 3.
  • the closure bypass channel 14 is designed as the overflow pipe 21, as shown.
  • This overflow pipe 21 is also arranged downstream of the heat exchanger arrangement 4 on the housing 15 and the heating fluid tract 2 in such a way that its first face end is connected in a fluid-permeable manner upstream to the housing 15 of the heat exchanger arrangement 4 and its second face end downstream is connected to the heating fluid tract 2.
  • the overflow pipe 21 runs in a section parallel to the main flow channel 6 and to the heating fluid tract 2.
  • Figure 3 is the device 1 in contrast to Figure 2 shown with the channel closure element 3 designed as a flap in its first state with a corresponding maximum opening rate.
  • the flow of the heating fluid through the main flow channel 6 is thus at a maximum.
  • Figure 4 describes a further development of the basically spiral-shaped tube 23, which the in Figures 1 to 3 shown coiled tubing 22 forms.
  • ribs 26 formed in opposite directions are arranged on the outer circumferential surface 24 of the tube 23 and in the longitudinal direction 25 of the tube 23 of the central axis 28 of the tube 23.
  • the ribs 26 are formed in that a cut-to-length endless belt is applied to the tube 23, spiraling around the tube 23 in the longitudinal direction 25 of the tube 23.

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  • Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Wärmerückgewinnung aus einem Heizfluid, welches im Betrieb eines Heizfluiderzeugers einen Heizfluidtrakt durchströmt, aufweisend ein Kanalverschlusselement sowie eine Wärmeübertrageranordnung, wobei die Wärmeübertrageranordnung einen von einem Nebenströmungskanal umgebenen Hauptströmungskanal aufweist, hierbei Hauptströmungskanal und Nebenströmungskanal jeweils zumindest einen Einlass sowie zumindest einen stromabwärts des Einlasses ausgebildeten Auslass zur Durchströmung mittels des Heizfluides aufweisen, ein Volumenstrom des Heizfluides durch den Hauptströmungskanal und/oder den Nebenströmungskanal in Abhängigkeit einer Öffnungsrate des Kanalverschlusselementes regulierbar ist, das Kanalverschlusselement stromabwärts der Auslässe vom Hauptströmungskanal sowie Nebenströmungskanal der Wärmeübertrageranordnung angeordnet ist und der Nebenströmungskanal über den Auslass des Nebenströmungskanales mit einem einen Einlass sowie einen Auslass aufweisenden Verschlussbypasskanal fluiddurchlässig verbunden ist.
  • EP 1 884 634 offenbart eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Eine Herausforderung des modernen Kraftfahrzeugbaus besteht in dem hehren Ziel, den Kraftstoffverbrauch und mit diesem verbunden den Schadstoffausstoß eines im Kraftfahrzeug vorhandenen Verbrennungsmotors stetig zu minimieren.
  • Neben Maßnahmen, wie dem Motoren-Downsizing in Kombination mit dem Einbringen von Abgasturboladern in den Abgastrakt eines Verbrennungsmotors zielen Bestrebungen auch darauf ab, die von einem Verbrennungsmotor erzeugte Abwärme zu nutzen, um eine Steigerung der Energieeffizienz zu erreichen. Eine Möglichkeit die Abwärme zu nutzen, besteht dabei darin, die im Abgas vorhandene thermische Energie rückzugewinnen.
  • Hierzu wird in der DE 10 2012 204 126 A1 ein Dampferzeuger beschrieben, welcher im Abgastrakt eines Kraftfahrzeugmotors angeordnet ist. Der Dampferzeuger weist hierbei ein Gehäuse mit einem Einlass- sowie einem Auslassbereich auf, wobei innerhalb und koaxial zum Gehäuse eine sich vom Einlass- zum Auslassbereich erstreckende, rohrförmige Durchführungsleitung angeordnet ist. Diese Durchführungsleitung ist zudem an ihren im Einlass- und Auslassbereich liegenden Endabschnitten geschlitzt, sodass das in den Dampferzeuger einströmende Abgas in einen Zwischenraum zwischen Gehäusewand und Durchführungsleitung gelangen kann. In diesem Zwischenraum ist anliegend an die Durchführungsleitung ein Spiralrohr angeordnet, das von einem zu verdampfenden Fluid durchströmt wird. Das in einer Ausführungsform zur Erhöhung der Wärmeübertragung scheibenartige Rippen aufweisende Spiralrohr dient dabei als Wärmeübertragerbaustein, über welchen die im Abgas vorhandene thermische Energie auf das zu verdampfende Fluid übertragen wird. Weiterhin ist innerhalb des Dampferzeugers, im Genauen innerhalb der Durchführungsleitung, eine Steuerklappe angeordnet, mittels welcher in Abhängigkeit der Stellung der Steuerklappe die Durchführungsleitung in einem geschlossenen oder geöffneten Zustand vorliegt. Bevorzugt ist die Steuerklappe im Einlassbereich angeordnet, wobei bei geschlossener Durchführungsleitung das Abgas durch den geschlitzten Endbereich der Durchführungsleitung in den Zwischenraum zwischen Durchführungsleitung und Gehäuse gelangt und das Spiralrohr überströmt. Liegt die Durchführungsleitung in geöffnetem Zustand vor, gelangt das Abgas unter Umgehung des Zwischenbereiches direkt vom Einlass- zum Auslassbereich, wodurch eine Wärmeübertragung vom Abgas in das zu verdampfende Fluid weitgehend vermieden wird. Nachteilig an der beschriebenen Anordnung ist insbesondere die Positionierung der Steuerklappe innerhalb des Dampferzeugers, da hierdurch die die Sperrklappe bewegende Klappenwelle eine hohe Länge aufweisen muss, um bis in das Innere der Durchführungsleitung hineinzureichen. Dies bedingt geringe Fertigungstoleranzen der Klappenwellen und deren Lagerung, was in Verbindung mit den im Abgastrakt erreichten Temperaturen zu Verzug und Fehlfunktionen der Sperrklappe führt.
  • Auch durch die DE 10 2011 056 212 A1 ist eine vergleichbar gestaltete Anordnungen zur Rückgewinnung von Wärmeenergie aus einem Abgas zur Erwärmung von Getriebeöl beschrieben, bei welcher die Steuerklappe innerhalb der Durchführungsleitung, jedoch im Auslassbereich angeordnet ist, und die Durchführungsleitung auch lediglich in dem Auslassbereich über Öffnungen zum Übergang des Abgases in den Zwischenbereich zwischen Durchführungsleitung und Gehäusewand verfügt. Entsprechend der DE 10 2012 204 126 A1 wird die Durchführungsleitung ebenfalls mittels der Steuerklappe verschlossen. In dem Zwischenbereich sind zwei miteinander in Verbindung stehende, ringförmige Kammern zur Aufnahme eines Kühlmittels ausgeformt, welche zum Zwecke der Wärmeübertragung vom in den Zwischenraum geleiteten Abgas umströmt werden. Innerhalb einer der Kammern ist ein Spiralrohr angeordnet, das von dem Getriebeöl durchflossen wird. Die Wärmeenergie gelangt somit vom Abgas über das Kühlmittel in das Getriebeöl, wodurch dieses erwärmt wird. Auch in einer solchen Ausgestaltung werden bedingt durch die Anordnung der Steuerklappe innerhalb der Durchführungsleitung geringe Fertigungstoleranzen, mit einer entsprechenden Fehleranfälligkeit der Anordnung, benötigt
  • Es ist weiterhin durch die DE 10 2012 105 588 A1 eine im Wesentlichen der Funktion der DE 10 2011 056 212 A1 entsprechende Anordnung zur Rückgewinnung von Wärmeenergie bekannt, welche ebenfalls der Erwärmung von Getriebeöl dient. Hierbei findet im Gegensatz zu den durch die DE 10 2012 204 126 A1 sowie die DE 10 2011 056 212 A1 offenbarten Anordnungen jedoch kein Spiralrohr Anwendung. Die Anordnung zeigt voneinander getrennte, jedoch aneinander angrenzende und koaxial zueinander verlaufende, ringförmige Kammern zur Aufnahme von Kühlmittel sowie Getriebeöl auf, wobei innerhalb der Kühlmittelkammern mehrere mattenartig ausgeprägte und in Längsrichtung der Anordnung geradlinig verlaufende Rohrbündel angeordnet sind, welche von Abgas durchströmt werden, das über Öffnungen in der Durchführungsleitung in einen stirnseitigen Zwischenbereich zwischen Durchführungsleitung und Gehäuse geleitet wird. Die Rohrbündel weisen mehrere Einzelrohre auf, welche im Wesentlichen sowohl parallel zueinander als auch parallel zu der Durchführungsleitung verlaufen. Ein Mittelabschnitt der Einzelrohre weist hierbei zur Vergrößerung dessen Oberfläche eine im Wesentlichen spiralförmig ausgeprägte Wandung auf. Entsprechend der DE 10 2011 056 212 A1 wird die durch das Abgas in das Kühlmittel abgegebene Wärmenergie in das Getriebeöl übertragen. Nachteilig bei solchen parallel zueinander sowie parallel zur Durchführungsleitung verlaufenden Einzelrohren ist die Möglichkeit, dass das die Einzelrohre durchströmende Abgas einer ungleichen Verteilung über die Einzelrohre unterliegen kann und dadurch bei einem zu verdampfenden Kühlmittel die Verdampfung teils ausbleiben kann.
  • Der EP 2 942 500 A1 ist zudem ein Wärmetauscher mit einem innenliegenden Bypassrohr und einer eingangsseitig angeordneten Stellklappe zu entnehmen, um einen Abgasstrom durch einen Wärmetauscherkanal oder das Bypassrohr zu leiten. Zur Realisierung der Wärmeübertragung ist um das Bypassrohr im Wärmetauscherkanal ein von einem Medium durchströmbares Spiralrohr angeordnet.
  • Auch die WO 03 / 040 641 A1 zeigt einen Wärmetauscher mit einem innenliegenden Bypassrohr, welches ebenfalls von einem Spiralrohr umgeben ist. Ausgangseitig des Bypassrohres ist wiederum eine Stellklappe angeordnet, mittels welcher der Durchfluss eines ersten Mediums durch das Bypassrohr einstellbar ist.
  • Ferner sind sowohl der EP 1 884 634 A2 als auch der JP 2006 - 250 524 A jeweils zylindrische Wärmetauscher zur Anordnung in einem Abgastrakt zu entnehmen. Hierbei lässt sich ein aus einem inneren Rohr bestehender Bypass mittels einer stromabwärts angeordneten Klappe verschließen, sodass Abgas über eingangsseitig ausgebildete Öffnungen in einen Strömungsbereich zwischen dem inneren Rohr und einem als Trennelement fungierenden Wellrohrabschnitt geleitet wird. Zum Wärmetausch wird zudem Kühlwasser in einem Kühlwasserbereich zwischen dem Wellrohrabschnitt und dem äußeren Gehäuse des Wärmetauschers geführt.
  • Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art derart auszuführen, dass im Vergleich zum Stand der Technik die Konstruktion vereinfacht, gröbere Fertigungstoleranzen ermöglicht und hierdurch Fehlfunktionen minimiert werden können.
  • Diese Aufgabe wird gelöst mit einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
  • Erfindungsgemäß ist also eine Vorrichtung zur Wärmerückgewinnung aus einem Heizfluid vorgesehen, wobei das Heizfluid im Betrieb eines Heizfluiderzeugers einen Heizfluidtrakt durchströmt. Hierbei weist die Vorrichtung ein Kanalverschlusselement sowie eine Wärmeübertrageranordnung auf, wobei die Wärmeübertrageranordnung zudem einen von einem Nebenströmungskanal umgebenen Hauptströmungskanal aufweist. Hauptströmungskanal und Nebenströmungskanal weisen überdies jeweils zumindest einen Einlass sowie zumindest einen stromabwärts des Einlasses ausgebildeten Auslass zur Durchströmung mittels des Heizfluides auf, wobei in dem Nebenströmungskanal zumindest ein im Betrieb der Vorrichtung von einem Arbeitsfluid durchströmbares Wärmeübertragerelement angeordnet und ein Volumenstrom des Heizfluides durch den Hauptströmungskanal und/oder den Nebenströmungskanal in Abhängigkeit einer Öffnungsrate des Kanalverschlusselementes regulierbar, also z. B. regelbar und/oder steuerbar, zumindest jedoch gezielt in der Höhe veränderlich, ist. Weiterhin ist erfindungsgemäß das Kanalverschlusselement stromabwärts der Auslässe von Hauptströmungskanal sowie Nebenströmungskanal der Wärmeübertrageranordnung angeordnet.
  • Erfindungsgemäß ist die Vorrichtung zur Wärmerückgewinnung also im Heizfluidtrakt angeordnet, wobei stromaufwärts der Vorrichtung zumindest der Einlass des Hauptströmungskanals mit einem ersten Abschnitt des Heizfluidtraktes fluiddurchlässig verbunden und weiterhin die Vorrichtung stromabwärts der Verschlussvorrichtung wiederum in einem zweiten Abschnitt des Heizfluidtraktes münden kann. Denkbar ist jedoch darüber hinaus, dass das Heizfluid stromabwärts der Verschlussvorrichtung in eine Nachbehandlungsanlage oder die Umgebung abgeleitet wird. Die Länge des Hauptströmungskanals würde stromabwärts durch das Kanalverschlusselement in seiner Längsausdehnung begrenzt sein, wobei sich stromabwärts des Kanalverschlusselementes wiederum der Heizfluidtrakt anschließen würde. Denkbar ist hierbei jedoch überdies, dass der Hauptströmungskanal und der Heizfluidtrakt einteilig ausgeführt sind und der Hauptströmungskanal somit einen Abschnitt des Heizfluidtraktes bildet. Eine zweiteilige oder mehrteilige Ausführung ist weiterhin ebenso möglich.
  • Die Wärmeübertrageranordnung der Vorrichtung für sich genommen weist zudem kein Kanalverschlusselement auf. Dieses ist stromabwärts der Wärmeübertrageranordnung angeordnet, was zum einen den Aufbau der Wärmeübertrageranordnung vereinfacht und zum anderen in vorteilhafter Weise Kanalverschlusselemente eingesetzt werden können, welche z. B. bereits am Markt erhältlich sind und somit anfällige Speziallösungen mit hohen Fertigungstoleranzen vermieden werden können. Hierbei sollte die Wärmeübertrageranordnung der Vorrichtung zudem bevorzugt im Gegenstromprinzip arbeiten, d. h. die Strömungsrichtung von Heizfluid und Arbeitsfluid sind einander entgegengerichtet. Denkbar ist aber auch eine Ausführung im Gleichstromprinzip.
  • Das Verschlusselement sollte mindestens zwei Zustände aufweisen, wobei das Verschlusselement bevorzugt zudem zwischen diesen zwei Zuständen weitere kontinuierlich oder diskret veränderbare Zwischenzustände einnehmen können sollte. Einer der mindestens zwei Zustände ließe sich hierbei durch eine maximale Öffnungsrate beschreiben, d. h. ein durch das Verschlusselement hervorgerufener Gegendruck im Hauptströmungskanal der Wärmeübertrageranordnung ist minimal, das Heizfluid wird also lediglich in minimaler Weise an der Durchströmung des Hauptströmungskanals gehindert. In einem solchen Zustand würde zudem kein oder im Wesentlichen ein minimaler Volumenstromanteil des Heizfluides den Nebenströmungskanal durchströmen, wodurch der Hauptströmungskanal als Bypass des Nebenströmungskanals wirkt. Ein zweiter der mindestens zwei Zustände ließe sich entsprechend durch eine minimale Öffnungsrate des Verschlusselementes beschreiben, was bedeutet, dass in diesem Zustand der durch das Verschlusselement hervorgerufene Gegendruck im Hauptströmungskanal maximal wäre. Das Heizfluid würde somit in maximaler Weise an der Durchströmung des Hauptströmungskanals gehindert werden, wodurch kein oder ein minimaler Volumenstromanteil des Heizfluides den Hauptströmungskanal respektive ein maximaler Volumenstromanteil den Nebenströmungskanal durchströmen würde. Die notwendige Betätigung des Verschlusselementes wäre beispielsweise über ein elektrisches oder pneumatisches Stellglied realisierbar.
  • Die beschriebene Öffnungsrate bestimmt sich hierbei aus dem Verhältnis der durchströmbaren Querschnittsfläche des Hauptströmungskanals zur Gesamtquerschnittsfläche des Hauptströmungskanals.
  • Bei der Durchströmung des Nebenströmungskanals durch das Heizfluid wird die in dem Heizfluid vorhandene thermische Energie oder Wärme über das Wärmeübertragerelement in das Arbeitsfluid übertragen. Hierdurch sollte das Arbeitsfluid wenigstens erwärmt, bevorzugt jedoch verdampft werden. Das Arbeitsfluid sollte zudem Teil eines sich anschließenden Kreisprozesses sein, in welchem es in einem gasförmigen Zustand beispielsweise dem Antrieb eines Generators dienen könnte.
  • Das Verschlusselement kann als eine Klappe, insbesondere als eine Abgasklappe, ausgebildet sein, wobei die Winkelstellung der Klappe oder der Abgasklappe deren Öffnungsrate bestimmen sollte. Hierbei könnte in einem ersten Zustand maximaler Öffnungsrate die Klappe oder Abgasklappe in einem Drehwinkel von 0 Grad oder 180 Grad zur Strömungsrichtung des Heizfluides oder entsprechend zur Längsrichtung des Hauptströmungskanals ausgerichtet sein. In einem zweiten Zustand, also in dem Zustand minimaler Öffnungsrate, läge eine Winkelstellung der Klappe oder auch Abgasklappe mit einem Drehwinkel von 90 Grad oder 270 Grad zur Strömungsrichtung des Heizfluides und/oder zur Längsrichtung des Hauptströmungskanals vor.
  • Das Heizfluid kann insbesondere als ein Abgas ausgebildet sein, welches den Abgastrakt, insbesondere den Abgastrakt einer Brennkraftmaschine, durchströmt, wobei die Brennkraftmaschine den entsprechenden Heizfluiderzeuger darstellen würde. In diesem Fall würde der Heizfluidtrakt demzufolge dem Abgastrakt, insbesondere dem Abgastrakt der Brennkraftmaschine, wie z. B. einem Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges, entsprechen.
  • Das Arbeitsfluid sollte als ein Fluid ausgebildet sein, welches durch die aus dem Heizfluid durch das Wärmeübertragerelement übertragene Wärme aus der flüssigen in die gasförmige Phase übergeht, also verdampft werden kann. Infrage kommen für ein solches Arbeitsfluid beispielsweise Wasser, aber auch Alkohole wie Ethanol. Zudem ließen sich als Arbeitsfluid Kältemittel unterschiedlicher Ausprägung verwenden.
  • Weiterhin ist der Nebenströmungskanal der Wärmeübertrageranordnung erfindungsgemäß ausschließlich über den Einlass des Nebenströmungskanals mit dem Hauptströmungskanal der Wärmeübertrageranordnung fluiddurchlässig verbunden. Dementsprechend liegt also zwischen dem Auslass des Nebenströmungskanals und dem Hauptströmungskanal keine respektive keine unmittelbare fluiddurchlässige Verbindung vor, was gewinnbringend insbesondere dazu führt, dass der Aufbau der Wärmeübertrageranordnung vereinfacht wird und dieser somit eine verringerte Fehleranfälligkeit aufweist.
  • Die fluiddurchlässige Verbindung bedeutet in diesem Zusammenhang eine stoffdurchlässige Verbindung, welche wenigstens für Fluide sowie Gase durchlässig ist. Eine Durchlässigkeit für feste Stoffe ist hierbei jedoch nicht ausgeschlossen. Ebenso ist es als selbstverständlich anzusehen, dass über diese fluiddurchlässige Verbindung ebenfalls Energie übertragen werden kann.
  • Überdies ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Verschlussbypasskanal als zumindest ein Überströmrohr ausgebildet ist, welches stromabwärts der Wärmeübertrageranordnung am Gehäuse der Wärmeübertrageranordnung und dem Heizfluidtrakt angeordnet ist und dadurch den Nebenströmungskanal auslassseitig unter Umgehung des Kanalverschlusselementes mit dem Heizfluidtrakt verbindet, sodass das Heizfluid aus dem Nebenströmungskanal in den Heizfluidtrakt strömen kann. Dabei sollte das Überströmrohr so angeordnet sein, dass ein erstes stirnseitiges Ende des Überströmrohres stromaufwärts mit dem Gehäuse der Wärmeübertrageranordnung und ein zweites stirnseitiges Ende des Überströmrohres stromabwärts mit dem Heizfluidtrakt fluiddurchlässig verbunden ist. Das Überströmrohr könnte zudem abschnittsweise parallel zum Hauptströmungskanal und/oder zum Heizfluidtrakt verlaufen. Der Verschlussbypasskanal in Form eines außerhalb des Hauptströmungskanales und/oder des Heizfluidtraktes angeordneten Überströmrohres bietet vorteilhaft einen konstruktiv sowie fertigungstechnisch einfacher zu realisierenden Aufbau als beispielsweise ein innerhalb des Hauptströmungskanales und/oder des Heizfluidtraktes, z. B. in Form einer Rohr-in-Rohr-Ausführung, angeordnete Überströmrohr.
  • Eine Ausführungsform der Erfindung ist auch dann als vorteilhaft anzusehen, wenn der Nebenströmungskanal über den Auslass des Nebenströmungskanals mit einem einen Einlass sowie einen Auslass aufweisenden Verschlussbypasskanal fluiddurchlässig verbunden ist. Durch eine solche Ausgestaltung wird es nutzbringend ermöglicht, dass sich das Heizfluid nicht im Nebenströmungskanal aufstaut, was in positiver Weise ein mögliches Überhitzen des Wärmeübertragerelementes und/oder des im Wärmeübertragerelement strömenden Arbeitsfluid verhindert.
  • Ist zudem der Verschlussbypasskanal über den Auslass des Verschlussbypasskanals stromabwärts des Kanalverschlusselementes mit dem Heizfluidtrakt fluiddurchlässig verbunden, dann ist es möglich, dass das aus dem Nebenströmungskanal in den Verschlussbypasskanal übergeströmte Heizfluid wieder in den Heizfluidtrakt rückgeführt werden kann, wodurch gewinnbringend kein Gegendruck im Verschlussbypasskanal und/oder im Nebenströmungskanal erzeugt wird und die Ableitung des Heizfluides unter Umgehung des Kanalverschlusselementes ermöglicht wird. Dies ist von besonderer Bedeutung, wenn sich das Kanalverschlusselement in einem Zustand befindet, in welchem dieses nicht seine maximale Öffnungsrate aufweist und somit der Hauptströmungskanal teilweise oder vollständig verschlossen vorliegt, wodurch ein entsprechender Volumenstromanteil des Heizfluides in den Nebenströmungskanal einströmt.
  • Eine äußerst gewinnbringende Ausbildung der Erfindung liegt darin begründet, dass der Hauptströmungskanal durch ein von einem Gehäuse umschlossenes Fluidrohr gebildet ist, wobei das Gehäuse das Fluidrohr orthogonal zur Längsrichtung des Fluidrohres umschließt. Hierbei ist eine entsprechend koaxiale Anordnung von Gehäuse und Fluidrohr denkbar, wobei das Fluidrohr im einfachsten Fall als ein Zylinderrohr ausgeprägt sein kann. Zweckmäßigerweise sollte das Fluidrohr nicht vollständig, sondern lediglich orthogonal zur und in Längsrichtung des Fluidrohres von dem Gehäuse umschlossen sein, sodass die den Einlass und den Auslass des Hautströmungskanals bildenden Stirnseiten des Fluidrohres nicht vom Gehäuse umschlossen sind. Eine solche Ausgestaltung bietet in erfolgversprechender Weise einen wenig fehleranfälligen Grundaufbau der Wärmeübertrageranordnung.
  • Eine darüber hinaus sehr erfolgversprechende erfindungsgemäße Weiterbildung lässt sich darin sehen, dass der Einlass des Nebenströmungskanals durch zumindest eine in der Wandung des Fluidrohres ausgebildete Öffnung gebildet wird, wobei diese Öffnung in einem Bereich des Fluidrohres liegen sollte, welcher durch das Gehäuse umschlossen wird und hierdurch den Hauptströmungskanal mit dem Nebenströmungskanal fluiddurchlässig verbindet. Die Öffnung kann dabei eine beliebige Form, beispielsweise eine kreisförmige, ovale oder auch elliptische Form annehmen. Ebenso ist es denkbar, dass die Öffnung in Form eines Schlitzes vorliegt. Neben einer einzelnen Öffnung wird jedoch eine Ausführungsform mit mehreren Öffnungen bevorzugt, wobei diese in Umfangsrichtung des Fluidrohres zueinander beabstandet angeordnet sein können.
  • Ist zudem der Nebenströmungskanal durch einen Fluidraum gebildet, welcher zwischen dem Fluidrohr und dem das Fluidrohr umschließende Gehäuse ausgebildet ist, so kann davon ausgegangen werden, dass darin eine äußerst wenig fehleranfällige Ausgestaltung des Nebenströmungskanals der Wärmeübertrageranordnung liegt. Hierbei sollten wenigstens die beiden Stirnbereiche des Gehäuses mit dem Fluidrohr fluidundurchlässig verbunden sein, wobei die Verbindung stoffschlüssig und auch kraft- und/oder formschlüssig ausgeführt sein kann. Die Länge des Nebenströmungskanals würde sich durch diese Ausgestaltung über die Längsausdehnung des Gehäuses, insbesondere durch die Beabstandung der Stirnbereiche des Gehäuses bestimmen.
  • Als überaus praxisgerecht ist es weiterhin anzusehen, wenn das Wärmeübertragerelement als eine von dem Arbeitsfluid durchströmbare Rohrwendel aus einem spiralförmig verlaufenden Rohr ausgebildet ist und/oder an einer äußeren Mantelfläche des spiralförmig verlaufenden Rohres und in Längsrichtung des Rohres zumindest abschnittsweise der Mittelachse des Rohres entgegengerichtet ausgeformte Rippen angeordnet ist. Eine Ausführung des Wärmeübertragerelementes als eine Rohrwendel bietet gegenüber einer möglichen Ausführungsvariante mit mehreren geradlinig sowie im Wesentlichen parallel zueinander und parallel zum Haupt- sowie Nebenströmungskanal verlaufenden Einzelrohren den Vorteil, dass sich keine Ungleichverteilung des Volumenstromes des Heizfluides einstellt. Im Falle mehrerer Einzelrohre ist es möglich, dass eine solche Ungleichverteilung zu einer lokalen Überhitzung und/oder Unterkühlung unterschiedlicher Einzelrohre führt, was eine ungleichmäßige oder gar ausbleibende Verdampfung des Arbeitsfluides und/oder einen Defekt der lokal überhitzten Einzelrohre zur Folge haben kann. Eine Ausgestaltung der Rohwendel dahingehend, dass an deren äußeren Mantelfläche Rippen ausgeformt sind, steigert den Wärmestrom aus dem Heizfluid in das Arbeitsfluid, wodurch der Wirkungsgrad der Wärmeübertragung erhöht werden kann. Hierbei ist es denkbar, dass die Rippen dadurch gebildet werden, dass auf das die Rippen zumindest abschnittsweise tragende Rohr ein sich in Längsrichtung des Rohres spiralförmig umwindendes Endlosband aufgebracht ist, welches der Abschnittslänge entsprechend abgelängt ist. Die Verbindung zwischen dem die Rippen bildenden Endlosband und dem Rohr kann stoffschlüssig ausgebildet sein, wobei die Erzeugung des Stoffschlusses unter Verwendung eines Schweißverfahrens, insbesondere eines Laserschweißverfahrens erfolgen kann.
  • Ein solch beschriebenes Rohr kann in einer Ausführungsvariante beispielsweise einen Außendurchmesser von acht Millimetern mit einer Wandstärke von 0,75 Millimetern und das die Rippen bildende Endlosband eine Breite von fünf Millimetern und eine Dicke von 0,5 Millimetern aufweisen.
  • Eine weitere mit Vorteil behaftete Ausgestaltung der Vorrichtung lässt sich dadurch gestalten, dass zwischen dem Fluidrohr und der Rohrwendel und/oder zwischen der Rohrwendel und dem Gehäuse ein das Fluidrohr und/oder die Rohrwendel orthogonal zur Längsrichtung des Fluidrohres umschließende, verformbare Zwischeneinlage angeordnet ist, mit welcher sich das Fluidrohr und die Rohrwendel und/oder die Rohwendel und das Gehäuse in Kontakt befinden. Denkbar ist, dass die Zwischeneinlage hierbei elastisch und/oder plastisch verformbar ist und beispielsweise als ein Gewebe, Gewirke und/oder Gestricke vorliegt. Denkbar sind dabei Filzmatten und/oder Fasermatten, wie z. B. Glasfasermatten und hierbei insbesondere Silikat-Glasfasermatten. Daraus ergibt sich, dass die Zwischeneinlage auch im Allgemeinen grundsätzlich eben und flächig ausgebildet sein kann, wobei eine solch ausgebildete Zwischeneinlage um das Fluidrohr und/oder um die innere Mantelfläche des Gehäuses umgeschlagen respektive angelegt wird, sodass sich die Zwischenlage an die jeweilige Kontur anpasst. Die Zwischeneinlage könnte jedoch ebenso hohlzylinderförmig, quasi in Form eines Flexrohres oder einer Stulpe vorliegen, sodass diese auf das Fluidrohr aufgeschoben und/oder zwischen Rohrwendel und Gehäuse zwischengeschoben werden kann. Im Gegensatz dazu kann die Zwischeneinlage jedoch ebenso als ein Vollmaterial vorliegen. Die Zwischeneinlage kann als ein Isolationselement und/oder ein Dichtelement ausgebildet sein, wodurch einerseits der Wärmefluss in die Umgebung sowie gegebenenfalls in den Hauptströmungskanal, also z. B. das Fluidrohr, minimiert werden kann. Hierfür ist es als vorteilhaft anzusehen, wenn die Zwischeneinlage mit einer Wärmestrahlung reflektierenden Schicht, wie beispielsweise einer Edelstahlfolie, kaschiert wäre. Diese Kaschierung hätte zudem den Vorteil, dass der Volumenstrom des Heizfluides aufgrund seiner Strömungsgeschwindigkeit keine Anteile der Zwischenlage mitreißen kann, was z. B. bei der Verwendung von aus Fasern bestehenden Zwischeneinlagen zu verhindern wäre, um eine stetige Reduzierung der Zwischeneinlage und somit einem Defekt vorzubeugen. Da sich die Zwischeneinlage oder die Zwischeneinlagen mit dem Fluidrohr, der Rohrwendel und dem Gehäuse in Kontakt befinden, können diese ebenfalls die Funktion eines Dichtelementes erfüllen. Dies ist insbesondere bei Ausgestaltung der Rohrwendel mit Rippen vorteilhaft, da mittels der Zwischeneinlagen erreicht werden kann, dass das Heizfluid den Nebenströmungskanal im Wesentlichen durch einen durch die Rippenzwischenräume gebildeten wendelförmigen Rippenkanal entlang der Rippen durchströmt, wodurch die Wärmeübertragung in das Arbeitsfluid erhöht werden kann. Neben den beschriebenen Funktionen ist es weiterhin möglich, dass das Zwischenelement dem Toleranzausgleich zwischen Fluidrohr und Rohrwendel und/oder Rohrwendel und Gehäuse dient.
  • Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in
    • Fig. 1
    eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung;
    Fig. 2
    eine erste Schnittdarstellung der Vorrichtung;
    Fig. 3
    eine zweite Schnittdarstellung der Vorrichtung;
    Fig. 4
    eine Darstellung eines mit Rippen ausgebildeten Rohres.
  • Figur 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Wärmerückgewinnung aus einem Heizfluid. Dieses Heizfluid durchströmt im Betrieb eines Heizfluiderzeugers den Heizfluidtrakt 2. Die Vorrichtung 1 weist das Kanalverschlusselement 3 sowie die Wärmeübertrageranordnung 4 auf, wobei diese aus dem Nebenströmungskanal 5, dem Hauptströmungskanal 6 sowie dem Wärmeübertragerelement 11 besteht. Das Wärmeübertragerelement 11 ist hierbei als Rohrwendel 22 aus dem spiralförmig verlaufenden Rohr 23 ausgebildet. Der Volumenstrom des Heizfluides durch den Hauptströmungskanal 6 und/oder den Nebenströmungskanal 5 ist dabei in Abhängigkeit der Öffnungsrate des stromabwärts der Wärmeübertrageranordnung 4 angeordneten Kanalverschlusselementes 3 regulierbar. Der Nebenströmungskanal 5 ist zudem ausschließlich über den Einlass 7 des Nebenströmungskanals 5 mit dem Hauptströmungskanal 6 fluiddurchlässig verbunden. Verschließt das Kanalverschlusselement 3 den Hauptströmungskanal 6, strömt das Heizfluid über den Einlass 7 in den Nebenströmungskanal 5. Das hierbei im Betrieb der Wärmeübertrageranordnung 4 in dem Wärmeübertragerelement 11 strömende Arbeitsfluid wird aufgrund des Wärmeflusses vom Heizfluid über das Wärmeübertragerelement 11 in das Arbeitsfluid erwärmt. Das Heizfluid strömt nach Durchtritt durch den Nebenströmungskanal 5 über den Verschlussbypasskanal 14 zurück in den Heizfluidtrakt 2. Bei geöffnetem Kanalverschlusselement durchströmt das Heizfluid unter Umgehung des Nebenströmungskanals 5 im Wesentlichen den Hauptströmungskanal 6 und gelangt unmittelbar wieder in den Heizfluidtrakt 2.
  • Figur 2 zeigt ebenfalls eine Weiterbildung der Vorrichtung 1, wobei diese im Schnitt dargestellt ist. Hierbei zeigt die Vorrichtung 1 wiederum das Kanalverschlusselement 3 sowie die Wärmeübertrageranordnung 4. Die Wärmeübertrageranordnung 4 weist den vom Nebenströmungskanal 5 umgebenen Hauptströmungskanal 6 auf, wobei der Hauptströmungskanal 6 den Einlass 9 sowie den Auslass 10 und der Nebenströmungskanal 5 die Einlässe 7 und den Auslass 8 aufweisen. Dabei ist der Hauptströmungskanal 6 durch das von dem Gehäuse 15 umschlossenen Fluidrohr 16 gebildet, wobei das Gehäuse 15 das Fluidrohr 16 orthogonal zur Längsrichtung 17 des Fluidrohres 16 umschließt. Zudem ist dargestellt, dass der Nebenströmungskanal 5 ausschließlich über die Einlässe 7 des Nebenströmungskanals 5 mit dem Hauptströmungskanal 6 fluiddurchlässig verbunden ist, wobei die Einlässe 7 durch die in der Wandung 18 des Fluidrohres 16 ausgebildeten Öffnungen 19 gebildet werden. Im Nebenströmungskanal 5, welcher durch den Fluidraum 20 gebildet wird, der zwischen dem Fluidrohr 16 und dem Gehäuse 15 ausgebildet ist, ist zudem das Wärmeübertragerelement 11 angeordnet. Hierbei ist das Wärmeübertragerelement 11 als eine Rohrwendel 22 ausgebildet, welche spiralförmig um das Fluidrohr 16 verläuft. Zudem ist zwischen der Rohrwendel 22 und dem Gehäuse 15 die die Rohrwendel 22 orthogonal zur Längsrichtung 25 des Fluidrohrs 16 umschließende, verformbare Zwischeneinlage 27 angeordnet, mit welcher sich zudem die Rohrwendel 22 und das Gehäuse 15 in Kontakt befinden. Überdies ist stromabwärts der Auslässe 10, 8 des Hauptströmungskanals 6 sowie des Nebenströmungskanals 5 das Kanalverschlusselement 3 angeordnet, wobei dieses in dieser Weiterbildung als eine Klappe ausgebildet ist und dabei die Winkelstellung des als Klappe ausgebildeten Kanalverschlusselementes 3 deren Öffnungsrate bestimmt. Das als Klappe ausgebildete Kanalverschlusselement 3 befindet sich in seinem zweiten Zustand, also im Zustand minimaler Öffnungsrate, wobei der Hauptströmungskanal 6 quasi verschlossen ist. Figur 2 zeigt ebenso, dass der Nebenströmungskanal 5 über seinen Auslass 8 mit dem Einlass 12 des Verschlussbypasskanals 14 und der Verschlussbypasskanal 14 wiederum über seinen Auslass 13 stromabwärts des Kanalverschlusselements 3 mit dem Heizfluidtrakt 2 fluiddurchlässig verbunden ist. Der Verschlussbypasskanal 14 ist wie dargestellt als das Überströmrohr 21 ausgebildet. Dieses Überströmrohr 21 ist zudem stromabwärts der Wärmeübertrageranordnung 4 am Gehäuse 15 und dem Heizfluidtrakt 2 so angeordnet, dass sein erstes stirnseitiges Ende stromaufwärts mit dem Gehäuse 15 der Wärmeübertrageranordnung 4 und sein zweites stirnseitiges Ende stromabwärts mit dem Heizfluidtrakt 2 fluiddurchlässig verbunden ist. Das Überströmrohr 21 verläuft dabei in einem Abschnitt parallel zum Hauptströmungskanal 6 sowie zum Heizfluidtrakt 2.
  • In Figur 3 ist die Vorrichtung 1 im Gegensatz zu Figur 2 mit dem als Klappe ausgebildeten Kanalverschlusselement 3 in seinem ersten Zustand mit entsprechend maximaler Öffnungsrate dargestellt. Der Durchfluss des Heizfluides durch den Hauptströmungskanal 6 ist somit maximal.
  • Figur 4 beschreibt eine Weiterbildung des grundsätzlich spiralförmig ausgebildeten Rohres 23, welches die in Figuren 1 bis 3 dargestellte Rohrwendel 22 bildet. Hierbei sind an der äußeren Mantelfläche 24 des Rohres 23 und in Längsrichtung 25 des Rohres 23 der Mittelachse 28 des Rohres 23 entgegengerichtet ausgeformte Rippen 26 angeordnet. Die Rippen 26 werden dadurch gebildet, dass auf das Rohr 23 ein abgelängtes, sich in Längsrichtung 25 des Rohres 23 spiralförmig um das Rohr 23 windendes Endlosband aufgebracht ist.
    • Bezugszeichenliste
  • 1 Vorrichtung 21 Überströmrohr
    2 Heizfluidtrakt 22 Rohrwendel
    3 Kanalverschlusselement 23 Rohr
    4 Wärmeübertrageranordnung 24 Mantelfläche
    5 Nebenströmungskanal 25 Längsrichtung
    6 Hauptströmungskanal 26 Rippen
    7 Einlass 27 Zwischeneinlage
    8 Auslass 28 Mittelachse
    9 Einlass
    10 Auslass
    11 Wärmeübertragerelement
    12 Einlass
    13 Auslass
    14 Verschlussbypasskanal
    15 Gehäuse
    16 Fluidrohr
    17 Längsrichtung
    18 Wandung
    19 Öffnung
    20 Fluidraum

Claims (8)

  1. Vorrichtung (1) zur Wärmerückgewinnung aus einem Heizfluid, welches im Betrieb eines Heizfluiderzeugers einen Heizfluidtrakt (2) durchströmt, aufweisend ein Kanalverschlusselement (3) sowie eine Wärmeübertrageranordnung (4), wobei die Wärmeübertrageranordnung (4) einen von einem Nebenströmungskanal (5) umgebenen Hauptströmungskanal (6) aufweist, hierbei Hauptströmungskanal (6) und Nebenströmungskanal (5) jeweils zumindest einen Einlass (7, 9) sowie zumindest einen stromabwärts des Einlasses (7, 9) ausgebildeten Auslass (8, 10) zur Durchströmung mittels des Heizfluides aufweisen, ein Volumenstrom des Heizfluides durch den Hauptströmungskanal (6) und/oder den Nebenströmungskanal (5) in Abhängigkeit einer Öffnungsrate des Kanalverschlusselements (3) regulierbar ist, das Kanalverschlusselement (3) stromabwärts der Auslässe (8, 10) vom Hauptströmungskanal (6) sowie Nebenströmungskanal (5) der Wärmeübertrageranordnung (4) angeordnet ist und der Nebenströmungskanal (5) über den Auslass (8) des Nebenströmungskanales (5) mit einem einen Einlass (12) sowie einen Auslass (13) aufweisenden Verschlussbypasskanal (14) fluiddurchlässig verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Nebenströmungskanal (5) zumindest ein im Betrieb der Vorrichtung (1) von einem Arbeitsfluid durchströmbares Wärmeübertragerelement (11) angeordnet und der Verschlussbypasskanal (14) als zumindest ein Überströmrohr (21) ausgebildet ist, welches stromabwärts der Wärmeübertrageranordnung (4) am Gehäuse (15) der Wärmeübertrageranordnung (4) und dem Heizfluidtrakt (2) angeordnet ist.
  2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Nebenströmungskanal (5) der Wärmeübertrageranordnung (4) ausschließlich über den Einlass (7) des Nebenströmungskanals (5) mit dem Hauptströmungskanal (6) der Wärmeübertrageranordnung (4) fluiddurchlässig verbunden ist.
  3. Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verschlussbypasskanal (14) über den Auslass (13) des Verschlussbypasskanals (14) stromabwärts des Kanalverschlusselementes (3) mit dem Heizfluidtrakt (2) fluiddurchlässig verbunden ist.
  4. Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptströmungskanal (6) durch ein von einem Gehäuse (15) umschlossenen Fluidrohr (16) gebildet ist, wobei das Gehäuse (15) das Fluidrohr (16) orthogonal zur Längsrichtung (17) des Fluidrohres (16) umschließt.
  5. Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass (7) des Nebenströmungskanals (5) durch zumindest eine in der Wandung (18) des Fluidrohres (16) ausgebildete Öffnung (19) gebildet wird.
  6. Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Nebenströmungskanal (5) durch einen Fluidraum (20) gebildet ist, welcher zwischen dem Fluidrohr (16) und dem das Fluidrohr (16) umschließenden Gehäuse (15) ausgebildet ist.
  7. Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeübertragerelement (11) als eine von dem Arbeitsfluid durchströmbare Rohrwendel (22) aus einem spiralförmig verlaufenden Rohr (23) ausgebildet ist und/oder an einer äußeren Mantelfläche (24) des spiralförmig verlaufenden Rohres (23) und in Längsrichtung (25) des Rohres (23) zumindest abschnittsweise der Mittelachse (16) des Rohres (23) entgegengerichtet ausgeformte Rippen (26) angeordnet sind.
  8. Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Fluidrohr (16) und der Rohrwendel (22) und/oder zwischen der Rohrwendel (22) und dem Gehäuse (15) ein das Fluidrohr (16) und/oder die Rohrwendel (22) orthogonal zur Längsrichtung (25) des Fluidrohres (16) umschließende, verformbare Zwischeneinlage (27) angeordnet ist, mit welcher sich das Fluidrohr (16) und die Rohrwendel (22) und/oder die Rohwendel (22) und das Gehäuse (15) in Kontakt befinden.
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